KR20220097762A - 운전 중 전극 교체가 가능한 역전기투석 스택 - Google Patents

운전 중 전극 교체가 가능한 역전기투석 스택 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극 교체가 가능한 역전기투석 스택에 관한 것으로, 역전기투석 스택 운전 중에도 전극을 교체할 수 있어 연속운전이 가능한 역전기투석 스택 및 이를 이용한 폐수처리 시스템을 제공하고자 한다.

Description

운전 중 전극 교체가 가능한 역전기투석 스택{RED stack capable of electrode replacement during operation}
본 발명은 전극 교체가 가능한 역전기투석 스택에 관한 것으로, 역전기투석 스택 운전 중에도 전극을 교체할 수 있어 연속운전이 가능한 역전기투석 스택에 관한 것이다.
역전기투석(RED)은 농도가 다른 두 유체, 예를 들어 해수와 담수의 혼합 과정에서 발생한 염분차 또는 농도차 에너지를 전기 에너지 형태로 회수하여 발전하는 것을 말한다.
보다 구체적으로, 역전기투석(RED)은 해수와 담수를 이용한 염분차로 발전하는 시스템으로서, 해수와 담수의 농도차로 인해 이온이 이온교환막(양이온교환막과 음이온교환막)을 통해 선택적으로 이동하게 되고, 복수개의 이온교환막이 번갈아 배열된 스택(stack)의 양쪽 끝의 전극(산화전극, 환원전극)간의 전위차를 발생시키며, 전극상에서 산화환원 반응에 의해 전자의 이동 현상이 발생하여 전기에너지를 생성하는 장치이다.
즉, 해수(염수)에 용해되어 있는 이온이 이온교환막을 통해 담수로 이동하면서 발생되는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 전환하는 발전방식으로 기존의 화력, 수력, 원자력과 같은 발전방식과 비교하여 에너지 손실이 적은 발전장치이다.
한편, 일반적으로 역전기투석 스택은, 전극 용액 내에 있는 경도성 물질(칼슘 이온, 마그네슘 이온, 철 이온 등)이 환원 반응에 의해 전극 표면에서 스케일링을 형성하게 된다.
전극 표면에 형성된 스케일링은 전극의 유효 면적을 감소 시킴에 따라 역전기투석 스택의 발전 효율을 감소시키는 문제가 있다.
특히, 역전기투석 스택으로 폐수를 처리함에 있어서 오염물질(예를 들어, 질산성질소)이 전극에 흡착되어 전극의 세정이나 교체를 야기한다.
기존에는 이러한 문제를 해결하기 위해, 불용성 전극소재를 사용하여 전기 화학적 처리(Polarity Reveral) 또는 약품 주입(pH2 이하)을 통한 유지보수를 수행하였다.
종래의 역전기투석 스택은 전극이 내부에 고정되어 있어서, 교체하는데 어려움이 있고, 전극 교체나 세정 시, 역전기투석 스택의 운전을 중지하게 되어 연속운전이 어렵다는 문제가 있다.
본 발명은 전극 스케일링 형성 시 운전 중에도 즉시 교체할 수 있는 전극 교체가 가능한 역전기투석 스택을 제공하는 데 그 목적이 있다.
이러한, 역전기투석 스택을 폐수처리에 적용하여, 전극 교체를 통해 폐수 내에 포함된 오염물질을 보다 용이하게 처리할 수 있는 역전기투석 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 용액이 유동하는 하나 이상의 제1 유로 및 제1 용액보다 낮은 농도의 제2 용액이 유동하는 하나 이상의 제2 유로를 구획하도록 마련된 복수 개의 이온교환막; 이온교환막을 각각 둘러싸도록 이온교환막과 마주하는 제1면, 제1면과 반대방향의 제2면 및 제1면과 제2면을 연결하는 측면을 갖는 제1 및 제2 엔드 플레이트; 제1 엔드 플레이트에 적어도 하나가 교체 가능하게 삽입된 복수 개의 제1 전극; 및 제2 엔드 플레이트에 적어도 하나가 교체 가능하게 삽입되며, 제1 엔드 플레이트의 제1 전극과 전기적으로 각각 연결된 복수 개의 제2 전극을 포함하고, 각각의 엔드 플레이트는, 각각의 전극이 삽입되도록 제1면과 제2면을 관통하여 형성된 복수 개의 공간부를 갖는 본체; 및 각각의 공간부를 밀폐하도록 마련된 복수 개의 커버부재; 를 포함하며, 본체에 가장 인접하게 배치된 이온교환막은, 2개 이상의 공간부를 둘러싸는, 역전기투석 스택을 제공한다.
또한, 제1 엔드 플레이트의 제1 전극 및 제2 엔드 플레이트의 제2 전극은 쌍을 이루어 전기를 생산하고, 한 쌍의 전극에서 적어도 하나의 전극이 교체될 때, 나머지 쌍들의 전극에서 전기가 생산될 수 있다.
또한, 본체에 가장 인접하게 배치된 이온교환막의 적어도 일부 영역은, 본체와 접촉하도록 배치될 수 있다.
또한, 각각의 공간부는 동일한 체적 또는 서로 다른 체적을 갖도록 마련될 수 있다.
또한, 제1 엔드 플레이트의 제1 전극 및 제2 엔드 플레이트의 제2 전극은 쌍을 이루어 전기를 생산하되, 각각의 쌍에서 발생하는 전압 및 전류는 서로 동일하거나 서로 다르게 형성될 수 있다.
또한, 각각의 쌍에서 발생하는 전압 및 전류를 각각 조절하도록, 각각의 제1 및 제2 전극 쌍에 전기적으로 연결된 전압 및 전류 조절 장치를 각각 추가로 포함하며, 전압 및 전류 조절 장치는, 역전기투석 스택의 출력이 최대 출력을 갖도록 전압 및 전류가 각각 조절될 수 있다.
또한, 각각의 쌍으로 이루어진 제1 및 제2 전극 측으로 전극 용액을 각각 공급하기 위해, 공간부와 유체이동 가능하게 연결된 전극 용액 공급부 및 각각 쌍으로 이루어진 제1 및 제2 전극에서, 적어도 한 쌍의 전극 중 하나의 전극이 교체될 때, 전극 용액 공급을 제어하도록 마련된 제어부를 추가로 포함한다.
또한, 제1 유로로 제1 용액을 공급하기 위해 제1 유로와 유체 이동 가능하게 연결된 제1 용액 공급부 및 제2 유로로 제2 용액을 공급하기 위해 제2 유로와 유체 이동 가능하게 연결된 제2 용액 공급부를 추가로 포함한다.
또한, 각각의 제1 유로에서 토출되는 제1 토출 용액을 제1 용액 공급부로 공급하기 위한 제1 토출 유로, 각각의 제2 유로에서 토출되는 제2 토출 용액을 각각의 제1 전극 측으로 공급하기 위한 제2 토출 유로 및 각각의 제1 전극 측에서 토출되는 제3 토출 용액을 제2 용액 공급부로 공급하기 위한 제3 토출 유로를 추가로 포함한다.
또한, 각각의 제1 및 제2 전극은, 공간부에 삽입되는 각각의 전극과 접촉하여 전기적으로 연결되어 전기를 집진하도록 마련된 집전체를 추가로 포함하며, 각각의 집전체는, 각각의 제1 및 제2 전극에 대응하는 각각의 커버부재를 관통하여 외부로 돌출되도록 마련될 수 있다.
또한, 본체에 가장 인접하게 배치된 이온교환막의 적어도 일부 영역은, 각각의 공간부 측을 향하여 외부로 노출되도록 마련되고, 각각의 공간부에는, 외부로 노출된 이온교환막에 접촉하여 배치되는 스페이서를 추가로 포함한다.
또한, 복수 개의 이온교환막은, 하나 이상의 양이온교환막 및 하나 이상의 음이온 교환막을 포함하고, 양이온 교환막과 음이온 교환막이 번갈아 배치될 때, 인접하는 2개의 이온교환막 사이에 각각 배치되어, 제1 및 제2 용액의 유동을 안내하기 위한 복수 개의 가스켓을 포함하며, 복수 개의 가스켓은, 제1 용액의 유동을 안내하도록 마련된 제1 가스켓 및 제2 용액의 유동을 안내하도록 마련된 제2 가스켓을 포함하고, 제1 가스켓 및 제2 가스켓은 서로 번갈아 배치되는 것을 포함한다.
또한, 복수 개의 이온교환막은, 이온교환막의 폭 방향을 따르는 양 단부 측에 각각 마련되고, 길이 방향을 따라 소정간격 떨어져 마련된 하나 이상의 제1 유동홀 및 이온교환막의 길이 방향을 따르는 양 단부 측에 각각 마련되고, 폭 방향을 따라 소정간격 떨어져 마련된 하나 이상의 제2 유동홀을 포함한다.
또한, 제1 가스켓은, 하나 이상의 제1 유동홀을 연결하는 제1 유동 안내부를 갖고, 제2 가스켓은, 하나 이상의 제2 유동홀을 연결하는 제2 유동 안내부를 가질 수 있다.
또한, 제1 가스켓은, 하나 이상의 제2 유동홀과 각각 대응하는 위치에, 각각의 제2 유동홀과 유체 이동 가능하게 연결되는 하나 이상의 제1 통과홀을 갖고, 제2 가스켓은, 하나 이상의 제1 유동홀과 각각 대응하는 위치에, 각각의 제1 유동홀과 유체 이동 가능하게 연결되는 하나 이상의 제2 통과홀을 가질 수 있다.
또한, 제1 엔드 플레이트는, 하나 이상의 제1 유동홀 및 제2 통과홀과 각각 유체 이동 가능하게 연결되는 하나 이상의 제1 유동포트 및 하나 이상의 제2 유동홀 및 제1 통과홀과 각각 유체 이동 가능하게 연결되는 하나 이상의 제2 유동포트를 갖고, 제2 엔드 플레이트는, 하나 이상의 제1 유동홀 및 제2 통과홀과 각각 유체 이동 가능하게 연결되는 하나 이상의 제3 유동포트 및 하나 이상의 제2 유동홀 및 제1 통과홀과 각각 유체 이동 가능하게 연결되는 하나 이상의 제4 유동포트를 가질 수 있다.
또한, 제1 유동 안내부는, 제1 용액이 이온교환막의 폭 방향을 따라 유동하도록 서로 마주하는 한 쌍의 제1 유동홀들을 연결하도록 마련되고, 제2 유동 안내부는, 제2 용액이 이온교환막의 길이 방향을 따라 유동하도록 서로 마주하는 한 쌍의 제2 유동홀들을 연결하도록 마련될 수 있다.
또한, 제1 및 제2 엔드 플레이트는 각각 폭 방향을 따라 제1 길이를 갖고, 길이 방향을 따라 제1 길이보다 긴 제2 길이를 갖도록 마련되고, 이온교환막은, 제1 길이와 대응하도록 폭 방향을 따라 제3 길이를 갖고, 제2 길이와 대응하도록 길이 방향을 따라 제3 길이보다 긴 제4 길이를 갖도록 마련될 때, 제1 용액이 이온교환막의 폭 방향을 따라 유동하는 제1 유동 길이는, 제2 용액이 이온교환막의 길이 방향을 따라 유동하는 제2 유동 길이보다 짧게 마련될 수 있다.
또한, 한 쌍의 전극들이 전기적으로 연결될 때, 한 쌍의 전극을 각각 전기적으로 연결하여 각 한 쌍으로 이루어진 전극들을 병렬로 전기적으로 연결하거나, 인접하는 각각의 제1 및 제2 전극을 차례로 직렬로 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 제1 전극은, 각각의 제1 전극에 접촉하며 제1 엔드 플레이트에 교체 가능하게 삽입되는 복수 개의 제1 촉매전극을 추가로 포함하며, 제2 전극은, 각각의 제2 전극에 접촉하며 제2 엔드 플레이트에 교체 가능하게 삽입되는 복수 개의 제2 촉매전극을 추가로 포함하며, 제1 촉매전극과 제2 촉매전극은 서로 다른 촉매층을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1 용액이 유동하는 하나 이상의 제1 유로 및 제1 용액보다 낮은 농도의 제2 용액이 유동하는 하나 이상의 제2 유로를 구획하도록 마련된 복수 개의 이온교환막; 이온교환막을 각각 둘러싸도록 이온교환막과 마주하는 제1면, 제1면과 반대방향의 제2면 및 제1면과 제2면을 연결하는 측면을 갖는 제1 및 제2 엔드 플레이트; 및 제1 엔드 플레이트에 적어도 하나가 교체 가능하게 삽입된 복수 개의 제1 전극; 제2 엔드 플레이트에 배치되며, 제1 엔드 플레이트의 제1 전극과 전기적으로 연결된 하나 이상의 제2 전극을 포함하며, 제1 엔드 플레이트는, 각각의 제1 전극이 삽입되도록 제1면과 제2면을 관통하여 형성된 복수 개의 공간부를 갖는 본체; 및 각각의 공간부를 밀폐하도록 마련된 복수 개의 커버부재; 를 포함하며, 본체에 가장 인접하게 배치된 이온교환막은, 2개 이상의 공간부를 둘러싸는, 역전기투석 스택을 제공한다.
또한, 제1 엔드 플레이의 공간부에 각각의 제1 전극이 삽입된 상태에서, 적어도 하나의 제1 전극이 교체될 때, 나머지 제1 전극을 통해 전기가 생산될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전술한 역전기투석 스택의 제조방법으로서, 복수 개의 이온 교환막을 적층시키는 단계; 제1 엔드 플레이트를 이온교환막 상에 배치시키는 단계; 각각의 공간부에 전극을 삽입하는 단계; 및 커버부재를 장착하여 공간부를 밀봉시키는 단계를 포함하는, 역전기투석 스택의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전술한 역전기투석 스택을 이용한 폐수처리 시스템으로서, 전술한 역전기투석 스택을 포함하고, 폐수처리 시스템은, 제1 용액 공급부의 제1 용액의 초기 농도를 유지하기 위해 제1 용액의 농도를 모니터링 하도록 마련된 모니터링 부; 및 모니터링 부에서 측정된 농도가 제1 용액의 초기 농도보다 낮아 지는 경우, 초기 농도를 유지하기 위해 제1 용액 공급부로 제1 용액을 추가로 공급하도록 마련된 제1 용액 추가부; 를 포함하는, 역전기투석 스택을 이용한 폐수처리 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 각각의 전극을 탈부착할 수 있도록 형성함으로써, 역전기투석 스택의 운전 중에도 전극을 즉시 교체할 수 있는 이점이 있다.
본 발명에 따른 역전기투석 스택을 폐수처리에 적용하면, 전극 교체를 통해 폐수 내에 포함된 오염물질을 보다 용이하게 처리할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 역전기투석 스택의 사시도이다.
도 2는 도 1의 분해 사시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 스택의 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 역전기투석 스택의 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 역전기투석 스택의 제1 엔드플레이트를 나타낸 부분 사시도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 역전기투석 스택의 제1 및 제2 용액의 유체의 유동에 의해 전기가 생산되는 공정을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 제1 전극(캐소드 전극) 측을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 역전기투석 스택의 전기적 연결을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 역전기투석 스택을 이용한 폐수처리 시스템을 설명하기 위해 나타낸 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 미국 지질 조사소의 염의 농도에 의한 수질 분류에 따르면, 일반적으로 '염수'또는 '해수'는 염의 농도가 해수의 염(Salt, 주로 NaCl) 농도인 35,000mg/L 이상을 가지는 용액을 의미하며, '기수'는 염 농도가 1,000~10,000mg/L 정도를 가진 용액, '담수'는 염 농도가 0~1,000mg/L 를 가진 용액을 의미할 수 있다.
본 문서에서, 제1 용액은 농도차 또는 염분차 발전을 위해 유입되는 유입수로서, 상대적으로 높은 농도를 갖는 고농도 용액일 수 있으며, 예를 들어, 염수, 해수, 기수, 폐수, 고농도 액상비료, 산업 공정에서 배출되는 농축폐수 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 혼합 용액일수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 제2 용액은 농도차 또는 염분차 발전을 위해 유입되는 유입수로서, 상대적으로 낮은 농도를 갖는 저농도 용액일 수 있으며, 예를 들어, 기수 또는 담수, 축사에서 배출되는 저농도 액상비료, 하수처리장 배출수, 제조업에서 세척시 배출되는 저농도 산업폐수 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 혼합 용액 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 전극 용액은, 제1 및 제2 전극 측으로 공급되어 전기를 생산하기 위해 일반적으로 역전기투석(RED) 장치에 사용되는 전극 용액일 수 있으며, 상기 전극 용액은 전해질을 포함하며, 예를 들어 폐수 또는 저농도 용액 또는 고농도 용액 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 담수, 순수 또는 이온 전도성이 높은 전해질 용액일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 전극에 스케일링 형성되어전극 교체 시에도 연속운전이 가능한 역전기투석 스택에 관한 것으로, 각각의 엔드 플레이트를 전극이 장착되는 복수의 구역으로 분리하여 분리된 구역에 전극을 장착하도록 형성된 역전기투석 스택(10)에 관한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예(제1 및 제2 실시예)에 따른 역전기투석 스택(10,20)에 관하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 역전기투석 스택(10)의 사시도, 도 2는 도 1의 분해 사시도, 도 3 및 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 역전기투석 스택의 측단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 역전기투석 스택(10)은, 복수 개의 이온교환막(100), 이온교환막을 각각 둘러 싸는 제1 및 제2 엔드플레이트(200a, 200b), 제1 엔드 플레이트(200a)에 적어도 하나가 교체 가능하게 삽입된 복수 개의 제1 전극(300a) 및 제2 엔드 플레이트(200b)에 적어도 하나가 교체 가능하게 삽입되며, 제1 엔드 플레이트(200a)의 제1 전극(300a)과 전기적으로 각각 연결된 복수 개의 제2 전극(300b)을 포함한다.
상기 제1 및 제2 엔드플레이트(200a, 200b)는 서로 소정 간격 떨어져 배치되고, 복수 개의 이온교환막(100)은 제1 및 제2 엔드플레이트(200a, 200b) 사이에 배치될 수 있다.
구체적으로, 상기 복수 개의 이온교환막(100)은, 제1 용액이 유동하는 하나 이상의 제1 유로(110) 및 제1 용액보다 낮은 농도의 제2 용액이 유동하는 하나 이상의 제2 유로(130)를 구획하도록 마련될 수 있다.
상기 복수 개의 이온교환막(100)은, 하나 이상의 양이온교환막(C) 및 하나 이상의 음이온교환막(A)을 포함하고, 양이온교환막(C)과 음이온교환막(A)은 서로 교번하여 적층될 수 있다.
본 발명에 따른 역전기투석 스택(10, 20)에서, 각각의 전극 측에 가장 인접하게 배치되는 이온교환막의 특성은, 각각의 전극 측으로 유입시켜 처리하고자 하는 오염물질의 종류에 따라 달라진다.
즉, 각각의 전극 측에 가장 인접하게 배치되는 이온교환막은, 전극 측(물질을 처리하는 전극)으로 공급하여 처리하고자 하는 이온성 물질에 따라 선택적으로 배치될 수 있다.
예를 들어, 후술하는 폐수처리 시스템에서, 전극(제1 전극) 측으로 유체를 공급하여 질산성질소(NO3 -) 등의 음이온성 물질을 처리하고자 하는 경우, 각각의 전극 측에 가장 인접하게 배치되는 이온교환막은, 양이온교환막(C)일 수 있다.
일 예로, 각각의 전극 측에 가장 인접하게 배치되는 이온교환막이 음이온교환막(A)인 경우에는, 전극 측으로 공급되는 폐수에 함유된 질산성질소(NO3 -) 등의 음이온성 물질이 상기 음이온교환막(A)을 통해 역전기투석 스택 측으로 이동할 수 있기 때문에, 이를 미연에 방지하도록, 각각의 전극 측에 가장 인접하게 배치되는 이온교환막은 양이온교환막(C)인 것이 바람직하다.
이와 마찬가지로, 후술하는 폐수처리 시스템에서, 전극(제1 전극) 측으로 유체를 공급하여 중금속을 포함한 다가 양이온성 물질을 처리하고자 하는 경우, 각각의 전극 측에 가장 인접하게 배치되는 이온교환막은, 음이온교환막(A)일 수 있다.
일 예로, 각각의 전극 측에 가장 인접하게 배치되는 이온교환막이 양이온교환막(C)인 경우에는, 전극 측으로 공급되는 폐수에 함유된 중금속을 포함한 다가 양이온성 물질이 상기 양이온교환막(C)을 통해 역전기투석 스택 측으로 이동할 수 있기 때문에, 이를 미연에 방지하도록, 각각의 전극 측에 가장 인접하게 배치되는 이온교환막은 음이온교환막(A)인 것이 바람직하다.
이에 더하여, 상기 이온교환막은 복극분리막(bipolar membrane)을 사용하여 전극 및 유입수(제1 및 제2 용액) 간 이온 이동 시 발생 가능한 에너지 손실 및 교차오염을 최소화 할 수 있다.
이에 더하여, 본 발명의 따른 역전기투석 스택(10)에서, 각각의 전극 측에 가장 인접하게 배치되는 이온교환막은, 음이온교환막(A)일 수 있다.
일 예로, 각각의 전극 측에 가장 인접하게 배치되는 이온교환막이 양이온교환막(C)인 경우에는,
또한, 상기 각각의 이온교환막 사이에 제1 및 제2 유로 간격을 유지하기 위해 가스켓(150) 및 스페이서(미도시)가 배치될 수 있다.
여기서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스켓(150)은, 이온교환막의 폭 방향(W)을 따르는 양 단부 측 또는 길이방향(L)을 따르는 양 단부 측에 각각 배치되어, 인접하여 배치되는 2개의 이온교환막 사이에 제1 유로(110) 또는 제2 유로(130)가 형성되도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 유로(110, 130) 상에는 스페이서(미도시)가 배치될 수 있다.
이에 더하여, 상기 제1 및 제2 엔드플레이트(200a, 200b)는, 각각 본체(210a, 210b) 및 복수 개의 커버부재(220a, 220b)를 포함한다.
보다 구체적으로, 상기 각각의 본체(210a, 210b)는, 이온교환막을 각각 둘러싸도록 이온교환막과 마주하는 제1면(211a, 211b), 제1면(211a, 211b)과 반대방향의 제2면(212a, 212b) 및 제1면과 제2면을 연결하는 측면(213a, 213b)을 갖는다.
또한, 상기 각각의 본체(210a, 210b)는, 각각의 전극(300a, 300b)이 삽입되도록 제1면(211a, 211b)과 제2면(212a, 212b)을 각각 관통하여 형성된 하나 이상의 공간부(230)를 갖는다.
이에 더하여, 상기 하나 이상의 커버부재(220a, 220b)는, 각각의 공간부(230)를 밀폐(밀봉)하도록 마련될 수 있다.
여기서, 상기 본체(210a, 210b)에 가장 인접하게 배치된 이온교환막은, 2개 이상의 공간부(230)를 둘러싸도록 배치된다.
구체적으로, 이온교환막이 소정의 길이(L) 및 폭(W)을 가질 때, 제1 및 제2 엔드플레이트의 길이 및 폭은 이온교환막의 길이 및 폭에 대응하게 마련될 수 있다.
즉, 제1 및 제2 엔드플레이트가 소정의 길이(L) 및 폭(W)을 가질 때, 복수 개의 이온 교환막의 길이 및 폭은, 제1 및 제2 엔드플레이트의 길이(L) 및 폭(W)에 대응하게 마련될 수 있다.
이에 따라, 상기 이온교환막은 2개 이상의 공간부(230)를 둘러싸게 된다. 즉, 상기 이온교환막은 2개 이상의 공간부(230)와 접촉하게 된다.
이에 더하여, 각각의 제1 및 제2 전극(300a, 300b)은, 공간부에 삽입되는 각각의 전극(300a, 300b)과 접촉하여 전기적으로 연결되어 전기를 집진하도록 마련된 집전체(221a, 221b)를 추가로 포함하고, 각각의 집전체(221a, 221b)는, 각각의 제1 및 제2 전극에 대응하는 커버부재(220a, 220b)를 관통하여 외부로 돌출되도록 마련된다.
즉, 상기 집전체(221a, 221b)는 커버부재(220a, 220b)가 공간부(230)를 밀폐(밀봉)할 때, 각각의 제1 전극 또는 제2 전극과 접촉하여 전극에서 생산되는 전기를 집진할 수 있다. 이 때, 제1 및 제2 전극은 각각의 집전체를 매개로 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 각각의 집전체(221a, 221b)는 커버부재(220a, 220b)와 일체형으로 형성될 수도 있고, 커버부재(220a, 220b)의 일부 영역에 형성된 관통홀을 통해 장착되도록 마련될 수 있다.
이에 더하여, 상기 커버부재(220a, 220b)는 유체가 유입 및 배출되도록 마련된 유입포트(223a, 223b) 및 배출포트(224a, 224b)를 각각 포함한다.
상기 유입 및 배출 포트 각각은, 서로 소정간격 떨어져 위치하며, 공간부에 삽입된 전극 측으로 유체(전극 용액)를 공급하기 위해 공간부와 유체 이동 가능하게 마련될 수 있다. 예를 들어, 상기 유입 및 배출 포트 각각은 커버부재를 관통하여 형성된 소정의 관통홀 일 수 있다.
상기 각각의 커버부재(220a, 220b)는, 각각의 공간부(230)를 밀봉하도록 본체의 제2면(212a, 212b)에서 제1면(211a, 211b) 측을 향하여 본체에 장착될 수 있다.
이와 마찬가지로, 상기 각각의 전극(300a, 300b)은, 각각의 공간부(230)에 삽입 장착될 때, 본체의 제2면(212a, 212b)에서 제1면(211a, 211b) 측을 향하여 본체에 장착될 수 있다.
특히, 상기 각각의 전극(300a, 300b)은, 각각의 공간부(230)에서 탈착될 때, 본체의 제1면측에서 제2면 측을 향하여 외부로 탈착될 수 있다.
이에 따라, 상기 공간부에 각각 삽입된 전극 중 어느 하나를 교체하기 위해, 커버부재를 본체에서 분리하면, 공간부에 삽입된 전극은 외부로 노출됨으로써 공간부에서 전극을 보다 용이하게 분리하여 교체할 수 있는 이점이 있다.
이에 더하여, 상기 본체(210a, 210b)에 가장 인접하게 배치된 이온교환막의 적어도 일부 영역은, 본체(210a, 210b)와 접촉하도록 배치된다.
구체적으로, 상기 본체의 제1면(211a, 211b)의 공간부(230)를 제외한 나머지 영역은, 본체와 가장 인접하게 배치된 이온교환막과 접촉하게 된다.
이 때, 상기 공간부(230)와 대응하는 이온교환막의 적어도 일부 영역은, 공간부를 통해 외부로 노출된다.
상기 각각의 공간부(230)는 동일한 체적을 갖도록 마련될 수 있다.
이와 반대로, 상기 각각의 공간부(230)는 서로 다른 체적을 갖도록 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 엔드 플레이트(210a)에 형성된 각각의 공간부(230)는 서로 동일한 체적을 갖거나 서로 다른 체적을 갖도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 제2 엔드 플레이트(210b)에 형성된 각각의 공간부(230)는 서로 동일한 체적을 갖거나 서로 다른 체적을 갖도록 마련될 수 있다.
특히, 상기 제1 엔드 플레이트(210a) 측에 장착되는 제1 전극이 전기화학적 환원반응이 일어나는 캐소드(Cathode) 전극이고, 상기 제2 엔드 플레이트(210b) 측에 장착되는 제2 전극이 애노드(Anode) 전극인 경우, 제1 엔드 플레이트(210a)의 각각의 공간부(230)는 캐소드 전극에서 전기화학적 반응이 원활하게 일어나도록 서로 동일하거나 서로 다른 체적을 갖게 마련될 수 있다.
이 때, 애노드 전극 측에서는 전기화학적 반응이 일어나지 않으므로, 각각의 공간부 대신에 하나의 공간부로 마련될 수 있다.
즉, 제1 전극은 각각의 공간부에 복수 개 장착될 때, 제2 전극은 하나의 공간부에 단일의 전극 하나가 장착되어 제1 전극과 전기적으로 연결될 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 각각의 제1 및 제2 전극(300a, 300b)은 공간부(230)의 체적에 대응하도록 마련되어 삽입될 수 있다.
즉, 상기 각각의 제1 및 제2 전극(300a, 300b)은 공간부(230)에 대응하도록 동일한 체적을 갖도록 마련되거나, 서로 다른 체적을 갖도록 마련될 수 있다.
이에 더하여, 상기 본체(210a, 210b)에 가장 인접하게 배치된 이온교환막(C)의 적어도 일부 영역은, 각각의 공간부(230) 측을 향하여 외부로 노출되도록 마련되고, 각각의 공간부(230)에는, 외부로 노출된 이온교환막에 접촉하여 배치되는 스페이서(S)를 추가로 포함한다.
상기 스페이서(S)는, 이온교환막과 전극 사이에 각각 배치되어 전극이 이온교환막에 직접적으로 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 각각의 제1 전극(300a)은 캐소드 전극(환원전극) 또는 애노드 전극(산화전극)중 어느 하나 일 수 있고, 제2 전극(300b)은 캐소드 전극(환원전극) 또는 애노드 전극(산화전극)중 나머지 하나일 수 있다.
예를 들어, 제1 전극(300a)이 캐소드 전극(환원전극)인 경우, 제2 전극(300b)은 애노드 전극(산화전극)일 수 있다.
여기서, 상기 제1 전극과 제2 전극의 극성은, 각각의 전극 측에 가장 인접하게 배치되는 이온교환막의 성질 및 이온교환막 사이에 형성된 유로(제1 및 제2 유로)에 공급되는 유체의 농도에 따라 변경된다.
예를 들어, 제1 전극과 제2 전극 사이에 양이온교환막과 음이온교환막이 교번하여 차례로 배치될 때, 즉 제1 전극, 양이온교환막('제1 양이온교환막'이라고도 함), 음이온교환막('제1 음이온교환막'이라고도 함), 양이온교환막('제2 양이온교환막'이라고도 함), 음이온교환막('제2 음이온교환막 이라고도 함), 양이온교환막('제3 양이온 교환막' 이라고도 함) 및 제2 전극이 차례로 배치된 상태를 말한다.
이 때, 제1 양이온교환막과 제1 음이온교환막 사이 및 제2 양이온교환막과 제2 음이온교환막 사이에 각각 형성된 제1 유로(110)로 제1 용액(고농도 용액)이 공급되고, 제1 음이온교환막과 제2 양이온교환막 사이 및 제2 음이온교환막과 제3 양이온교환막 사이에 각각 형성된 제2 유로(130)로 제2 용액(저농도 용액)이 공급될 때, 제1 전극은 캐소드 전극(환원전극)이 되고, 제2 전극은 애노드 전극(산화전극)이 된다.
이하에서는, 본 발명의 역전기투석 스택에서 제1 전극이 캐소드 전극이고, 제2 전극이 애노드 전극인 경우를 일 예로서 설명한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 제1 엔드플레이트(200a)의 제1 전극(300a) 및 제2 엔드 플레이트(200b)의 제2 전극(300b)은 쌍을 이루어 전기를 생산하고, 한 쌍의 전극에서 적어도 하나의 전극이 교체될 때, 나머지 쌍들의 전극에서 전기가 생산되도록 마련될 수 있다.
구체적으로, 한 쌍의 제1 및 제2 전극(300a1, 300b1 또는 300a2, 300b2)은, 제1 및 제2 엔드플레이트(200a, 200b)에서 서로 대응하는 위치에 마련된 전극 일 수 있다. 즉, 같은 쌍의 제1 및 제2 전극(300a1, 300b1 또는 300a2, 300b2)은 측면에서 보았을 때 대략적으로 동축 상에 배치된 전극을 의미한다.
상기와 같이 한 쌍의 제1 및 제2 전극(300a1, 300b1 또는 300a2, 300b2)은 서로 전기적으로 연결되어 제1 용액과 제2 용액의 농도차에 의해 전위차가 발생하여 각각 개별적으로 전기가 생산될 수 있다.
이에 더하여, 제1 엔드 플레이트(200a)의 제1 전극(300a1) 및 제2 엔드 플레이트(200b)의 제2 전극(300b1)은 쌍을 이루어 전기를 생산하되, 각각의 쌍에서 발생하는 전압 및 전류는 서로 동일하거나 서로 다르게 형성될 수 있다.
구체적으로, 각 쌍의 전극은 역전기투석 스택의 내부의 농도 차이에 의하여 형성되는 전압 및 전류가 상이할 수 있으며, 이에 따라 역전기투석 스택의 성능을 극대화하기 위해 전압 및 전류 조절장치(400)가 각각 독립적으로 마련될 수 있다.
즉, 상기 제1 및 제2 전극은, 제1 및 제2 전극 각각의 쌍에서 발생하는 전압 및 전류를 각각 조절하도록, 각각의 제1 및 제2 전극 쌍에 전기적으로 연결된 전압 및 전류 조절 장치(400)를 각각 추가로 포함할 수 있다.
따라서, 상기 전압 및 전류 조절 장치(400)는 역전기투석 스택의 출력이 최대 출력을 갖도록 조절될 수 있다.
한편, 상기 제1 및 제2 전극(300a, 300b)은, 다공성 소재를 갖는 소모성(disposable) 전극일 수 있다.
구체적으로, 폐수 처리 또는 전극의 스케일링 형성 시 즉시 교체할 수 있도록 보다 적합한 소모성 전극을 이용할 수 있으며, 예를 들어, 활성탄, 그라파이트(grafite), 펠트(Felt), 폼(Foam), 메쉬(Mesh), 스폰지, 크로스(Cloth), 그라핀, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버, 탄소구 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
특히, 상기 각각의 전극으로서, 높은 비표면적을 갖는 다공성 소재를 이용하면, 폐수 처리 시 오염물질 흡착 및 오염물질의 산화 환원 반응에 의한 전기화학적 처리가 가능할 수 있게 된다.
이에 더하여, 상기 제1 및 제2 전극(300a, 300b)은, 전극반응을 원활하게 하도록 2종 이상의 복합촉매로 이루어진 다공성 구조의 촉매 전극일 수 있다.
구체적으로, 제1 전극(300a)이 환원전극인 경우, 질산성질소를 처리하기 위하여 철(Fe) 촉매로 이루어진 촉매층 또는 환원반응에 도움을 줄수 있는 수소 발생 촉매층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 전극이 철 촉매층을 포함하는 경우 질산성 질소가 환원되어 질소로 변환하여 처리할 수 있다.
이 때, 제2 전극(300b)이 산화전극인 경우, 산화반응에 대한 내산화성을 갖는 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등 적어도 어느 하나로 이루어진 촉매층을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 각각의 전극이 반응에 따라 선택되는 촉매층을 포함하여 이루어지는 경우, 플레이트, 메쉬 폼 타입의 전극으로 형성될 수 있다.
또한, 상기와 같이 스케일링 및 오염물질 흡착 시 전극을 즉시 교체함으로써, 전극의 성능을 최적화 하여, 역전기투석 스택(10,20)의 성능을 최적화 할 수 있게 된다.
즉, 어느 한 부분의 전극에 스케일링이 많이 발생하는 경우, 즉시 교체할 수 있어 전극 성능 저하를 미연에 방지할 수 있는 이점이 있다.
이에 더하여, 상기 제1 전극(300a)은, 각각의 제1 전극(300a)에 접촉하며 제1 엔드 플레이트에 교체 가능하게 삽입되는 복수 개의 제1 촉매전극(310a)을 포함한다.
구체적으로, 상기 각각의 공간부(310)에는 제1 촉매 전극(310a) 및 제1 전극(300a)이 차례로 삽입되고, 각각의 공간부(310)에서 분리 가능하게 장착될 수 있다.
즉, 제1 전극과 제1 촉매 전극은 서로 분리 가능하게 장착될 수 있다.
또한, 상기 제2 전극(300b)은, 각각의 제2 전극(300b)에 접촉하며 제2 엔드 플레이트에 교체 가능하게 삽입되는 복수 개의 제2 촉매전극(310b)을 포함한다.
구체적으로, 상기 각각의 공간부(310)에는 제2 촉매 전극(310b) 및 제2 전극(300b)이 차례로 삽입되고, 각각의 공간부(310)에서 분리 가능하게 장착될 수 있다.
즉, 제2 전극과 제2 촉매 전극은 서로 분리 가능하게 장착될 수 있다.
여기서, 상기 제1 및 제2 촉매전극(310a, 310b)은 서로 다른 촉매층을 갖도록 마련될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 각각의 제1 및 제2 촉매전극(310a, 310b)은 전류를 외부로 보낼 수 있는 집전체(current collector)로서의 역할을 함과 동시에, 높은 전도성을 바탕으로 전류효율을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 촉매전극(310a)이 환원전극인 경우, 환원 반응에 도움을 줄 수 있는 수소 발생 촉매층을 갖는 플레이트, 메쉬 폼 타입의 전극일 수 있다.
이 때, 제1 전극(300a)은, 질산성 질소의 처리 향상을 위하여 철(Fe) 촉매를 포함하는 전극을 사용할 수 있다.
또한, 상기 제2 촉매전극(310b)이 산화전극인 경우, 산화반응에 대한 내산화성을 갖는 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등 적어도 어느 하나로 이루어진 촉매층을 갖는 플레이트, 메쉬 폼 타입의 전극일 수 있다.
즉, 상기 공간부에는, 제1 및 제2 전극 외에, 전류효율을 향상시키기 위해, 각가의 전극에서 일어나는 반응(산화 또는 환원 반응)에 따라 촉매층을 선택하여 제1 및 제2 촉매전극 중 선택하여 추가로 삽입될 수 있다.
상기와 같이, 제1 및 제2 촉매전극이 삽입되는 경우, 제1 및 제2 전극은 전극반응을 보다 원활하게 할 수 있는 촉매층을 포함하거나 2종 이상의 복합촉매로 이루어진 다공성 구조의 촉매 전극으로 구비될 수 있고, 전해질의 특정 산화환원 종에 대한 선택성 및 반응성이 우수한 촉매를 사용함으로써 수처리 등의 공정에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 비표면적의 증가를 통해 염분차발전의 전기 생산 효율이 향상될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 및 제2 전극은, 전류 효율을 향상시키기 위해 각각의 전극 자체에 촉매층을 포함하도록 마련될 수 있고, 제1 및 제2 전극에 제1 및 제2 촉매전극이 각각 인접하게 배치되어 촉매역할을 하도록 마련될 수 있고, 제1 및 제2 전극이 촉매층을 포함하고, 촉매층을 포함하는 제1 및 제2 전극에 제1 및 제2 촉매전극이 각각 인접하게 배치되어 촉매역할을 하도록 마련될 수 있다.따라서, 제1 및 제2 전극에 각각의 제1 및 제2 촉매전극이 배치되는 경우, 각각의 공간부에 제1 전극과 제1 촉매전극, 제2전극과 제2 촉매전극은 각각 삽입됨에 따라 필요에 따라 제1 촉매전극은 공간부에 삽입된 상태에서 제1 전극만 교체 가능할 수 있다.
이와 마찬가지로, 제2 촉매전극은 공간부에 삽입된 상태에서 제2 전극만 교체 가능할 수 있다.
즉, 제1 전극과 제1 촉매전극을 동시에 교체하거나, 제1 전극만을 교체 가능할 수 있고, 제2 전극과 제2 촉매전극을 동시에 교체하거나, 제2 전극만을 교체 가능할 수 있다.
이하에서는, 제1 및 제2 촉매전극에 대해서 구체적으로 언급하지 않더라도, 제1 및 제2 전극이 교체되는 구성에서 동일하게 적용될 수 있음을 이해하여야 한다.
한편, 본 발명은, 상기 각각의 쌍으로 이루어진 제1 및 제2 전극(300a1, 300b1 또는 300a2, 300b2) 측으로 전극 용액을 각각 공급하기 위해 공간부(230)와 유체 이동 가능하게 연결된 전극 용액 공급부(500)를 포함한다.
여기서, 상기 제1 및 제2 전극(300a1, 300b1 또는 300a2, 300b2)에는 각각의 제1 및 제2 촉매전극(310a1, 310b1 또는 310a2, 310b2)가 각각 추가로 포함될 수 있다.
이 때, 각각 쌍으로 이루어진 제1 및 제2 전극(300a1, 300b1 또는 300a2, 300b2)에서, 적어도 한 쌍의 전극 중 하나의 전극이 교체될 때, 전극 용액 공급을 제어하도록 마련된 제어부(510)를 포함한다.
구체적으로, 상기 제어부(510)는, 전극 용액 공급부(500)에서 각각의 공간부(230)에 삽입된 전극 측으로 공급되는 전극 용액의 공급을 각각 온/오프(On/Off)할 수 있다.
예를 들어, 상기 전극 용액 공급부(500)는, 한 쌍의 제1 및 제2 전극(300a1, 300b1)과 다른 한 쌍의 제1 및 제2 전극(300a2, 300b2) 측으로 각각 전극 용액을 공급할 수 있다.(도 3의 실선 화살표 참조)
이러한 상태에서, 한 쌍의 제1 및 제2 전극(300a1, 300b1) 중 제1 전극 (300a1)에 스케일링이 형성되어 교체가 필요한 경우, 커버부재를 분리한 후 전극을 공간부로부터 탈착 시킬 수 있다. 이 때, 제어부(510)는 한 쌍의 제1 및 제2 전극(300a1, 300b1) 측으로 전극 용액의 공급이 차단되도록 전극 용액의 공급을 오프(Off)시킬 수 있다.
이와 동시에, 나머지 한 쌍의 제1 및 제2 전극(300a2, 300b2) 측으로 전극 용액의 공급은 유지되도록 전극 용액의 공급은 온(On) 상태를 유지할 수 있다.
따라서, 나머지 한 쌍의 제1 및 제2 전극(300a2, 300b2)에서는 전기가 생산될 수 있다.
여기서, 상기 제어부(510)는 각각의 한 쌍의 제1 및 제2 전극 측에 마련되어, 각각의 한 쌍의 제1 및 제2 전극 측으로 전극 용액의 공급을 각각 제어할 수 있다.
즉, 하나의 전극 용액 공급부 및 제어부를 통해 한 쌍으로 이루어진 각각의 전극 측으로 공급되는 전극 용액의 공급을 각각 제어할 수도 있고, 복수 개의 전극 용액 공급부 및 제어부를 통해 전극 용액의 공급을 제어할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 상기 복수 개의 전극 중 어느 하나의 전극의 교체가 필요한 경우, 제어부(510)는 해당 전극(한 쌍의 전극) 측으로 전극 용액의 공급을 오프 시켜 전극 용액의 유입을 차단 후, 커버 부재를 분리하여 전극을 교체할 수 있게 된다. 이 때, 나머지 쌍들의 전극에서 전기가 생산될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 역전기투석 스택(20)의 분해 사시도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 역전기투석 스택(20)은, 제1 실시예에 따른 역전기투석 스택(10)에서 제1 및 제2 엔드플레이트(210a, 210b) 사이에 배치되는 이온교환막 및 가스켓이 다른 실시 형태를 갖는 것으로, 제1 실시예와 동일한 구성에 대한 내용은 생략하여 제2 실시예에 대해 설명한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 역전기투석 스택(20)의 복수 개의 이온교환막(C, A)은 하나 이상의 양이온 교환막(C) 및 하나 이상의 음이온 교환막(A)을 포함하고, 양이온 교환막(C)과 음이온 교환막(A)은 번갈아 교번하여 배치될 수 있다.
이 때, 상기 인접하는 2개의 이온교환막 사이에 각각 배치되어, 제1 및 제2 용액의 유동을 안내하기 위한 복수 개의 가스켓(170,180)을 포함한다.
상기 제1 및 제2 엔드 플레이트(210a',210b')는 각각 폭 방향(W1)을 따라 제1 길이를 갖고, 길이 방향(L1)을 따라 제1 길이보다 긴 제2 길이를 갖도록 마련될 수 있다.이 때, 상기 복수 개의 이온교환막(C, A) 및 복수 개의 가스켓(170,180)은, 각각 제1 길이와 대응하도록 폭 방향(W2)을 따라 제3 길이를 갖고, 제2 길이와 대응하도록 길이 방향(L2)을 따라 제3 길이보다 긴 제4 길이를 갖도록 마련될 수 있다.
상기 복수 개의 이온교환막(C, A)은, 이온교환막의 폭 방향(W2)을 따르는 양 단부 측에 각각 마련되고, 길이 방향(L2)을 따라 소정 간격 떨어져 마련된 하나 이상의 제1 유동홀(161)을 포함한다.
또한, 상기 복수 개의 이온교환막(C, A)은, 이온교환막의 길이 방향(L2)을 따르는 양 단부 측에 각각 마련되고, 폭 방향(W2)을 따라 소정 간격 떨어져 마련된 하나 이상의 제2 유동홀(163)을 포함한다.
상기 제1 및 제2 유동홀(161,163) 각각은 이온교환막을 관통하여 형성된 소정의 관통홀 일 수 있다.
이에 더하여, 상기 복수 개의 가스켓은, 제1 용액의 유동을 안내하도록 마련된 하나 이상의 제1 가스켓(170) 및 제2 용액의 유동을 안내하도록 마련된 하나 이상의 제2 가스켓(180)을 포함한다.
상기 제1 및 제2 가스켓(170,180)은 서로 번갈아 배치된다. 예를 들어, 제1 전극과 제2 전극 사이에 양이온 교환막(C)과 음이온 교환막(A)이 교번하여 차례로 배치될 때, 즉 제1 전극, 양이온교환막('제1 양이온교환막'이라고도 함), 음이온교환막('제1 음이온교환막'이라고도 함), 양이온교환막('제2 양이온교환막'이라고도 함), 음이온교환막('제2 음이온교환막 이라고도 함), 양이온교환막('제3 양이온 교환막' 이라고도 함) 및 제2 전극이 차례로 배치된 상태를 말한다.
이 때, 제1 양이온교환막과 제1 음이온교환막 사이 및 제2 양이온교환막과 제2 음이온교환막 사이에 각각 제1 가스켓(170)이 배치되어 제1 유로(110')를 형성하고, 제1 음이온교환막과 제2 양이온교환막 사이 및 제2 음이온교환막과 제3 양이온교환막 사이에 각각 제2 가스켓(180)이 배치되어 제2 유로(130')를 형성할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 가스켓(170)은, 하나 이상의 제1 유동홀(161)을 연결하는 제1 유동 안내부(171)를 갖는다.
상기 제1 유동 안내부(171)는, 제1 용액이 이온교환막의 폭 방향(W2)을 따라 유동하도록 서로 마주하는 한 쌍의 제1 유동홀(161)들을 연결하도록 마련된다.
상기 제1 유동 안내부(171)는, 제1 가스켓(170)의 적어도 일부 영역을 관통하도록 마련될 수 있으며, 인접하는 이온교환막에 접촉하며, 서로 마주하게 배치된 제1 유동홀들을 유체 이동 가능하게 연결할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제1 유동 안내부(171)는, 서로 마주하게 배치되어 각각 한 쌍으로 이루어진 제1 유동홀(161)들을 둘러싸되, 제1 가스켓(170)의 길이 방향(L2)을 따라 서로 인접하는 2개의 제1 유동홀(161) 사이의 적어도 일부 영역을 구획하는 하나 이상의 제1 격벽부(175)가 각각 마련될 수 있다.
즉, 상기 하나 이상의 제1 격벽부(175)는, 제1 가스켓의 폭 방향(W2)을 따르는 양 단부 측에 길이 방향(L2)을 따라 소정간격 떨어져 복수 개가 각각 마련될 수 있다.
특히, 상기 제1 유동 안내부(171)는 마주하는 한 쌍의 제1 유동홀을 유체 이동 가능하게 연결하되, 제1 격벽부(175)에 의해 구획된 복수 개의 제1 유동유로(1711)를 포함한다.
상기와 같이 형성된 제1 격벽부(175)에 의해, 제1 용액의 유동은 제1 유동 안내부(171)의 제1 유동유로(1711)를 따라 (가스켓의 폭 방향을 따라) 유동될 수 있게 된다.
이에 더하여, 상기 제2 가스켓(180)은, 하나 이상의 제2 유동홀(163)을 연결하는 제2 유동 안내부(183)를 갖는다.
상기 제2 유동 안내부(183)는, 제2 용액이 이온교환막의 길이 방향(L2)을 따라 유동하도록 서로 마주하는 한 쌍의 제2 유동홀(163)들을 연결하도록 마련된다.
상기 제2 유동 안내부(183)는, 제2 가스켓(180)의 적어도 일부 영역을 관통하도록 마련될 수 있으며, 인접하는 이온교환막에 접촉하며, 서로 마주하게 배치된 제2 유동홀들을 유체 이동 가능하게 연결할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제2 유동 안내부(183)는, 서로 마주하게 배치되어 각각 한 쌍으로 이루어진 제2 유동홀(163)들을 둘러싸되, 제2 가스켓(180)의 폭 방향(W2)을 따라 서로 인접하는 2개의 제2 유동홀(163) 사이의 적어도 일부 영역을 구획하는 하나 이상의 제2 격벽부(185)가 각각 마련될 수 있다.
즉, 상기 하나 이상의 제2 격벽부(185)는, 제2 가스켓의 길이 방향(L2)을 따르는 양 단부 측에 폭 방향(W2)을 따라 소정간격 떨어져 복수 개가 각각 마련될 수 있다.
특히, 상기 제2 유동 안내부(183)는 마주하는 한 쌍의 제2 유동홀을 유체 이동 가능하게 연결하되, 제2 격벽부(185)에 의해 구획된 복수 개의 제2 유동유로(1831)를 포함한다.
상기와 같이 형성된 제2 격벽부(185)에 의해, 제2 용액의 유동은 제2 유동 안내부(183) 의 제2 유동유로(1831)를 따라 (가스켓의 길이 방향을 따라) 유동될 수 있게 된다.
이에 따라, 제1 용액이 이온교환막의 폭 방향(W2)을 따라 유동하는 제1 유동 길이(FL1)는, 제2 용액이 이온교환막의 길이 방향(L2)을 따라 유동하는 제2 유동길이(FL2)보다 짧게 마련된다.
특히, 제1 용액이 유입되는 제1 유동홀(161)의 개수는, 제2 용액이 유입되는 제2 유동홀(163)의 개수보다 많게 마련될 수 있다.
상기 제1 유동홀(161)을 통과하여 제1 유동 안내부로 유입된 제1 용액은 제1 유동홀의 개수에 대응하게 마련된 복수 개의 제1 유동유로(1711)를 따라 유동하고, 제2 유동홀(163)을 통과하여 유입된 제2 용액은 제2 유동홀의 개수에 대응하게 마련된 복수 개의 제2 유동유로(1831)를 따라 유동하게 된다.
상기와 같은 구성에 의해, 고농도 용액인 제1 용액은, 전체 유로 내에서 균등하게 분포하며 짧은 거리를 이동하며, 저농도 용액인 제2 용액의 유로 내로 이온 이동을 최대로 할 수 있게 된다.
이에 따라, 제1 및 제2 용액이 서로 교차 흐름(Cross Flow)을 가지면서 역전기투석 스택의 출력 밀도를 최대로 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
이에 더하여, 상기 제1 가스켓(170)은, 하나 이상의 제2 유동홀(163)과 각각 대응하는 위치에, 각각의 제2 유동홀(163)과 유체 이동 가능하게 연결되는 하나 이상의 제1 통과홀(173)을 갖는다.
상기 제1 통과홀(173)은, 제1 가스켓(170)의 길이 방향을 따르는 양 단부 측에 폭 방향을 따라 소정 간격 떨어져 각각 배치될 수 있다.
상기 제1 통과홀(173)은, 제1 가스켓(170)을 관통하도록 형성된 소정의 관통홀 일 수 있다.
상기 제1 통과홀(173)은, 제2 용액이 제1 가스켓(170)을 통과하여 제2 유동 안내부(183)로 유동하도록 안내함으로써, 제1 가스켓과 인접하는 이온교환막의 표면 상으로 유체가 유동하는 것을 제한할 수 있다.
또한, 상기 제2 가스켓(180)은, 하나 이상의 제1 유동홀(161)과 각각 대응하는 위치에, 각각의 제1 유동홀(161)과 유체 이동 가능하게 연결되는 하나 이상의 제2 통과홀(181)을 갖는다.
상기 제2 통과홀(181)은, 제2 가스켓(180)의 폭 방향을 따르는 양 단부 측에 길이 방향을 따라 소정 간격 떨어져 각각 배치될 수 있다.
상기 제2 통과홀(181)은, 제2 가스켓(180)을 관통하도록 형성된 소정의 관통홀 일 수 있다.
상기 제2 통과홀(181)은, 제1 용액이 제2 가스켓(180)을 통과하여 제2 유동 안내부(183)로 유동하도록 안내함으로써, 제2 가스켓과 인접하는 이온교환막의 표면 상으로 유체가 유동하는 것을 제한할 수 있다.
상기와 같이 형성된 제1 및 제2 유동 안내부(171, 183)에 의해, 제1 유로(110') 및 제2 유로(130')가 형성된다.
따라서, 상기와 같이 형성된 제1 및 제2 유동 안내부(171,183)는, 유입된 유체가 유동 안내부를 따라 유동하며, 인접하는 이온교환막의 표면을 접촉하며 이온교환막을 통과하여 유동하도록 마련된 유체 유동 유로일 수 있다.
이에 더하여, 상기 제1 및 제2 유로(제1 및 제2 유동 안내부) 상에는, 유체의 유동을 불균일하게 하고 스월(swirl)을 형성하여 이온교환막 상으로 이온의 이동을 향상시키는 역할을 하는 스페이서(미도시)가 각각의 유로 상에 추가로 포함될 수 있다.
또한, 상기 스페이서는 유속에 따라 이온교환막 표면의 확산층의 두께를 감소시키는 역할을 함으로써 역전기투석 스택의 성능을 향상시킨다. 특히, 이온교환막의 두께가 매우 얇은 경우 이온교환막이 유체의 압력에 의해 형태가 변형 되는 문제를 방지하는 목적으로도 스페이서를 활용할 수 있다.
이에 더하여, 상기 제1 유동 안내부(171)를 유동하는 제1 용액의 제1 유동 길이(FL1)는, 제2 유동 안내부(183)를 유동하는 제2 용액의 제2 유동 길이(FL2)보다 짧게 마련된다.
즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 역전기투석 스택(20) 내의 유로는 서로 다른 유로의 길이를 갖도록 마련되며, 이를 통해 발전효율 및 전력밀도를 최대로 높일 수 있다.
구체적으로, 동일한 유량이 스택 내에 공급될 경우, 제2 용액 유로(FL2)는 제1 용액 유로(FL1)에 비하여 높은 체류시간(hydraulic retention time)을 가지게 됨으로써 스택의 효율이 상승하게 된다.
즉, 상대적으로 고농도 용액인 제1 용액 유로는 동일한 유입 농도를 스택 내 이온교환막의 전체 유효 면적에 균등하게 공급함으로써, 동일한 농도 포텐셜을 유지할 수 있게 되어 스택의 성능을 향상시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 복수 개의 이온교환막 사이에 제1 및 제2 가스켓에 의해 형성된 제1 및 제2 유로 측으로 제1 및 제2 용액을 각각 공급하기 위해, 제1 엔드 플레이트(210a')는 하나 이상의 제1 및 제2 유동포트(2101, 2102)를 갖는다.
또한, 제2 엔드 플레이트(210b')는 스택 내부를 유동한 제1 및 제2 용액을 배출하기 위한 하나 이상의 제3 및 제4 유동포트(2103, 2104)를 갖는다.
구체적으로, 상기 하나 이상의 제1 유동포트(2101)는, 하나 이상의 제1 유동홀(161) 및 제2 가스켓의 제2 통과홀(181)과 각각 유체 이동 가능하게 연결될 수 있다.
상기 제1 유동포트(2101)는, 제1 엔드플레이트(210a')의 제1면 및 제2면을 관통하도록 마련될 수 있으며, 폭 방향을 따르는 양 단부 측에, 길이 방향을 따라 소정 간격 떨어져 각각 배치될 수 있다.
또한, 상기 하나 이상의 제2 유동포트(2102)는, 하나 이상의 제2 유동홀(163) 및 제1 가스켓의 제1 통과홀(173)과 각각 유체 이동 가능하게 연결될 수 있다.
상기 제2 유동포트(2102)는, 제1 엔드플레이트(210a')의 제1면 및 제2면을 관통하도록 마련될 수 있으며, 길이 방향을 따르는 양 단부 측에, 폭 방향을 따라 소정 간격 떨어져 각각 배치될 수 있다.
이에 더하여, 상기 하나 이상의 제3 유동포트(2103)는, 하나 이상의 제1 유동홀(161) 및 제2 가스켓의 제2 통과홀(181)과 각각 유체이동 가능하게 연결될 수 있다.
상기 제3 유동포트(2103)는, 제2 엔드플레이트(210b')의 제1면 및 제2면을 관통하도록 마련될 수 있으며, 폭 방향을 따르는 양 단부 측에, 길이 방향을 따라 소정 간격 떨어져 각각 배치될 수 있다.
또한, 상기 하나 이상이 제4 유동포트(2104)는, 하나 이상의 제2 유동홀(163) 및 제1 가스켓(170)의 제1 통과홀(173)과 각각 유체 이동 가능하게 연결될 수 있다.
상기 제4 유동포트(2104)는, 제2 엔드플레이트(210b')의 제1면 및 제2면을 관통하도록 마련될 수 있으며, 폭 방향을 따르는 양 단부 측에, 길이 방향을 따라 소정 간격 떨어져 각각 배치될 수 있다.
이러한 구성에서, 제1 용액 공급부는, 제1 엔드플레이트(210a')의 각각의 제1 유동 포트(2101)와 유체이동 가능하게 연결되어, 제1 용액을 스택 내부로 공급할 수 있다.
또한, 제2 용액 공급부는, 제1 엔드플레이트(210a')의 각각의 제2 유동 포트(2102)와 유체이동 가능하게 연결되어, 제2 용액을 스택 내부로 공급할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 역전기투석 스택(10,20)의 제1 엔드플레이트를 나타낸 부분 사시도이다.
도 6을 참조하면, 비록 도면에는, 공간부가 3개, 4개 또는 8개인 경우를 나타내어 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 스택(10,20)에 대해 설명하였지만, 이온교환막의 크기(사이즈)에 따라 공간부의 개수는 적절하게 변경될 수 있으며, 이에 따라 제1 및 제2 전극의 개수 및 커버부재의 개수 또한 적절하게 변경될 수 있음을 이해하여야 한다.
여기서, 상기 커버부재(220a, 220b)는 하나 이상의 체결 부재(B)에 의해 본체에 각각 장착될 수 있다.
이에 더하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 역전기투석 스택(10)에서 전기가 생산되는 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제1 및 제2 용액은 제1 및 제2 유로로 공급되고(역전기투석 스택의 측면 측으로 공급, 도 1의 화살표 참조), 전극 용액은 각각의 전극 측으로 공급될 때, 제1 용액은 제2 용액과의 농도차에 의해, 제1 용액에 포함된 양이온성 물질(예를 들어, Na+)과 음이온성 물질(예를 들어, Cl-)이 양이온 교환막과 음이온 교환막을 선택적으로 통과하며 제2 유로 측으로 이동하게 되고, 양이온성 물질과 음이온성 물질의 이동에 의해 전위차가 발생함에 따라 각각의 쌍으로 이루어진 제1 및 제2 전극에서 산화 환원 반응이 일어나게 된다.
이 때, 전술한 바와 같이 역전기투석 스택의 운전 중에도 전극을 교체할 수 있게 된다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 역전기투석 스택(20)에서의 제1 및 제2 용액의 유동에 의해 전기가 생산되는 공정을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 역전기투석 스택(20)에서 제1 및 제2 용액의 유동에 의해 전기가 생산되는 과정을 설명하면 다음과 같다.
구체적으로, 상기 제1 및 제2 용액 공급부(미도시)에서 제1 및 제2 용액이 각각 제1 및 제2 유동포트(2101,2102)로 공급되고, 전극 용액이 전극이 장착된 공간부 측으로 동시에 공급된다. 먼저, 도 7의 화살표를 참조하여 제1 용액이 유동 경로를 설명하면, 제1 유동 포트(2101)로 공급된 제1 용액은 양이온 교환막(C)의 제1 유동홀(161)을 통과하여 제1 가스켓(170)의 제1 유동 안내부(171) 즉, 제1 유로(110')로 공급되어 제1 유로(110')를 유동한다.
이와 동시에 유동하는 제2 용액의 유동 경로를 도8의 화살표를 참조하여 설명하면, 제2 유동 포트(2102)로 공급된 제2 용액은 양이온 교환막(C)의 제2 유동홀(163)을 통과하고, 제1 가스켓(170)의 제1 통과홀(173) 및 음이온 교환막(A)의 제2 유동홀(163)을 차례로 통과하여 제2 가스켓(180)의 제2 유동 안내부(183) 즉, 제2 유로(130')로 공급되어 제2 유로(130')를 유동한다.
이 때, 상기 제1 용액은, 이온 교환막의 제1 유동홀 및 가스켓의 제2 통과홀을 차례로 통과하여 제2 엔드플레이트(210b')의 제3 유동포트(2103)를 통해 외부로 배출될 수 있고, 제2 용액은, 이온 교환막의 제2 유동홀 및 가스켓의 제1 통과홀을 차례로 통과하여 제2 엔드플레이트(210b')의 제4 유동포트(2104)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이러한 과정에서, 제1 용액은 제2 용액과의 농도차에 의해, 제1 용액에 포함된 양이온성 물질(예를 들어, Na+)과 음이온성 물질(예를 들어, Cl-)이 양이온 교환막과 음이온 교환막을 선택적으로 통과하며 제2 유로 측으로 이동하게 되고, 양이온성 물질과 음이온성 물질의 이동에 의해 전위차가 발생함에 따라 각각의 쌍으로 이루어진 제1 및 제2 전극에서 산화 환원 반응이 일어나게 된다.
이 때, 전술한 바와 같이 역전기투석 스택의 운전 중에도 전극을 교체할 수 있게 된다.
상기와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 역전기투석 스택(20)은 제1 엔드 플레이트(210a')에서 제1 및 제2 용액이 유입되면, 전술한 바와 같은 내부 유로를 통과하여 제1 엔드플레이트의 반대편의 제2 엔드플레이트(210b')의 측으로 배출된다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 역전기투석 스택의 제1 및 제2 용액은 서로 교차 흐름(Cross Flow)를 갖는다.
도 9는, 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 캐소드 전극 측을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 전극 용액으로 폐수가 공급되는 경우, 다공성으로 이루어진 전극에서 폐수 내의 오염물질(예를 들어 질산성질소(NO3 -)은 전자를 전달 받아 질소(N2)로 환원되어 처리되거나 다공성 전극의 공극 내에 오염물질이 흡착되어 제거될 수 있다.도 10은, 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 역전기투석 스택의 전기적 연결을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
설명의 편의를 위해, 서로 마주하며 배치되어 한 쌍으로 이루어진 한 쌍의 제1 및 제2 전극을 제1 전극 유닛으로 지칭하고, 도 10과 같이 3 쌍의 제1 및 제2 전극은 도 10의 좌측을 기준으로, 차례로 각각 제1 내지 제3 전극 유닛으로 지칭한다.
도 10의 (a) 를 참조하여 직렬회로를 설명하면, 제1 전극 유닛(3001; 300a1, 300b1)의 제1 전극(300a1)은 제2 전극 유닛(3002; 300a2, 300b2)의 제2 전극(300b2)과 전기적으로 연결된다.
이어서, 제2 전극 유닛(30021; 300a2, 300b2)의 제1 전극(300a2)은 제3 전극 유닛(3003; 300a3,300b3)의 제2 전극(300b3)와 전기적으로 연결된다.
이어서, 제3 전극 유닛(3003; 300a3,300b3)의 제1 전극(300a3)은 제1 전극 유닛(3001; 300a1, 300b1)의 제2 전극(300b1)과 전기적으로 연결되어 직렬회로를 이룰 수 있다.
도 10의 (b)를 참조하여 병렬회로를 설명하면, 제1 내지 제3 전극 유닛(3001,3002,3003)은 각각 서로 전기적으로 차례로 연결되어 병렬회로를 이룰 수 있다.
이에 더하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 역전기투석 스택은, 전술한 역전기투석 스택(10, 20) 중 제1 전극 측만 공간부를 갖는 제1 엔드 플레이트(210a, 210a')로 형성되고, 제2 전극 측은 단일의 전극을 갖는 엔드 플레이트로 형성되는 구성을 가질 수 있다.
상기 제1 전극(환원 전극) 측에서 스케일링 현상이 많이 일어 나게 되므로, 전극 교체가 자주 필요한 측에만 공간부를 갖는 제1 엔드 플레이트를 배치함으로써, 전극 교체를 즉시 할 수 있도록 구성할 수 있다.
비록 도시하지는 않았지만, 구체적으로, 역전기투석 스택(10,20)은, 제1 용액이 유동하는 하나 이상의 제1 유로 및 제1 용액보다 낮은 농도의 제2 용액이 유동하는 하나 이상의 제2 유로를 구획하도록 마련된 복수 개의 이온교환막; 이온교환막을 각각 둘러싸도록 이온교환막과 마주하는 제1면, 제1면과 반대방향의 제2면 및 제1면과 제2면을 연결하는 측면을 갖는 제1 및 제2 엔드 플레이트; 및 제1 엔드 플레이트에 적어도 하나가 교체 가능하게 삽입된 복수 개의 제1 전극; 제2 엔드 플레이트에 배치되며, 제1 엔드 플레이트의 제1 전극과 전기적으로 연결된 하나 이상의 제2 전극을 포함하며, 제1 엔드 플레이트는, 각각의 제1 전극이 삽입되도록 제1면과 제2면을 관통하여 형성된 복수 개의 공간부를 갖는 본체; 및 각각의 공간부를 밀폐하도록 마련된 복수 개의 커버부재; 를 포함하며, 본체에 가장 인접하게 배치된 이온교환막은, 2개 이상의 공간부를 둘러싸도록 마련될 수 있다.
특히, 상기 제1 엔드 플레이의 공간부에 각각의 제1 전극이 삽입된 상태에서, 적어도 하나의 제1 전극이 교체될 때, 나머지 제1 전극을 통해 전기가 생산되도록 마련될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 스택을 이용한 폐수처리 시스템을 설명하기 위해 나타낸 개략도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명은, 제1 유로(110)로 제1 용액을 공급하기 위해 제1 유로(110)와 유체 이동 가능하게 연결된 제1 용액 공급부(610) 및 제2 유로(130)로 제2 용액을 공급하기 위해 제2 유로(130)와 유체 이동 가능하게 연결된 제2 용액 공급부(620)을 추가로 포함한다.
상기 제1 용액 공급부(610)는, 제1 유로(110)로 제1 용액을 공급하기 위해 제1 용액 공급부(610)와 제1 유로(110)를 연통시키는 제1 공급 유로(611)를 포함한다.
또한, 상기 제2 용액 공급부(620)는, 제2 유로(130)로 제2 용액을 공급하기 위해 제2 용액 공급부(620)와 제2 유로(130)를 연통시키는 제2 공급 유로(621)를 포함한다.
또한, 상기 각각의 제1 유로(110)에서 토출되는 제1 토출 용액을 제1 용액 공급부로 공급하기 위한 제1 토출 유로(710)를 포함한다.
또한, 상기 각각의 제2 유로(130)에서 토출되는 제2 토출 용액을 각각의 제1 전극(100a) 측으로 공급하기 위한 제2 토출 유로(720)를 포함한다.
또한, 상기 각각의 제1 전극(300a) 측에서 토출되는 제3 토출 용액을 제2 용액 공급부(620)로 공급하기 위한 제3 토출 유로(730)를 포함한다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는, 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 스택(10, 20)은, 폐수처리 시스템으로서 이용할 수 있다.
예를 들어, 상기 폐수처리 시스템은 전술한 역전기투석 스택(10)을 이용해 폐수를 처리하는 시스템에 관한 것으로, 후술하는 역전기투석 스택(10)에 대한 구체적인 사항은 역전기투석 스택(10)에서 기술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
구체적으로, 전술한 역전기투석 스택(10)을 이용한 폐수처리 시스템은, 제1 용액 공급부의 제1 용액의 초기 농도를 유지하기 위해 제1 용액의 농도를 모니터링 하도록 마련된 모니터링 부(미도시)를 포함한다.
상기 모니터링 부(미도시)는 제1 용액 공급부에 마련되어, 제1 용액의 농도를 실시간으로 측정할 수 있다.
또한, 상기 모니터링 부에서 측정된 농도가 제1 용액의 초기 농도보다 낮아 지는 경우, 초기 농도를 유지하기 위해 제1 용액 공급부로 제1 용액을 추가로 공급하도록 마련된 제1 용액 추가부(630)를 포함한다.
상기 제1 용액 추가부(630)는 모니터링 부와 연동되어, 모니터링 부로부터 전달된 신호에 따라 제1 용액을 제1 용액 공급부로 공급할 수 있다.
여기서, 제1 용액은 폐수일 수 있고, 제2 용액은 담수일 수 있다.
상기와 같은 구성에서, 폐수 처리의 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제1 용액 공급부(610)에서 제1 용액이 제1 유로(110)로 각각 공급되고, 제2 용액 공급부(620)에서 제2 용액이 제2 유로(130)로 각각 공급될 때, 제1 용액은 제2 용액과의 농도차에 의해, 제1 용액에 포함된 이온성 물질이 양이온 교환막과 음이온 교환막을 선택적으로 통과하게 된다.
상기와 같이 제1 유로를 유동하여 제1 토출 유로로 토출되는 제1 토출 용액은, 제1 용액보다 낮은 농도를 갖게 되며, 제2 유로를 유동하여 제2 토출 유로로 토출되는 제2 토출 용액은 제2 용액보다 높은 농도를 갖게 된다.
즉, 제1 용액에 포함된 오염물질이 이온교환막을 통과하여 제2 용액 측으로 이동하게 되고, 이동된 오염물질을 포함하는 제2 토출 용액은 제2 토출 유로를 통해 제1 전극(300a) 측으로 공급된다.
예를 들어, 제1 용액의 초기 농도에 10 정도의 오염물질이 포함되었다고 가정할 때, 제1 유로를 통과하는 과정에서 오염물질의 일부가 제2 용액 측으로 이동하게 되어, 제2 토출 용액 내에는 1 정도의 오염물질이 포함되게 되고, 제1 토출 용액 내에는 9 정도의 오염물질이 남게 된다.
상기와 같이 공급된, 제2 토출 용액 내의 1 정도의 오염물질은 제1 전극 측으로 환원 반응을 통해 전기화학적으로 처리되거나, 전극의 공극 내에 흡착되어 처리될 수 있다.
상기와 같이, 제1 전극 측에서 오염물질이 처리된 후 제1 전극 측에서 토출되는 제3 토출 용액은 제3 토출 유로(730)를 통해 다시 제2 용액 공급부(620)로 공급되고, 제2 용액으로 재사용될 수 있게 된다.
이 때, 제1 토출 용액은 초기 농도보다 낮아진 상태 이므로, 제1 용액 공급부로 공급되는 경우, 제1 용액 공급부 내의 제1 용액의 초기 농도가 제1 토출 용액에 의해 희석되어 전체적으로 농도가 낮아지게 된다.
따라서, 모니터링 부 및 제1 용액 추가부를 통해 제1 용액 공급부 내의 제1 용액이 소정의 기준 농도(초기 농도)를 유지하도록 할 수 있다.
상기 폐수 내의 질산성 질소(NO3 -)가 질소(N2)로 환원되는데 소비되는 에너지는 약 -1.0V 인데, 이는 1.0M의 고농축 질산성질소 폐수, 예를 들어 산 폐수(acidic wastewater)를 역전기투석 스택(10)에 유입 시 약 20셀 수준에서 얻을 수 있다.
한편, 본 발명은 전술한 역전기투석 스택(10, 20)의 제조방법을 제공한다.
따라서, 후술하는 제조방법에 대한 구체적인 사항은 역전기투석 스택(10, 20)에서 기술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
구체적으로, 상기 역전기투석 스택(10)의 제조방법은, 복수 개의 이온 교환막을 적층시키는 단계; 제1 엔드 플레이트를 이온교환막 상에 배치시키는 단계; 각각의 공간부에 전극을 삽입하는 단계; 및 커버부재를 장착하여 공간부를 밀봉시키는 단계를 포함한다.
또한, 이온교환막 상에 제2 엔드 플레이트를 배치시키는 단계; 제2 엔드 플레이트의 각각의 공간부에 전극을 삽입하는 단계; 및 커버부재를 장착하여 공간부를 밀봉시키는 단계를 포함한다.
특히, 적어도 하나의 전극에서 스케일링이 발생되는 경우, 즉, 전극 교체가 필요한 경우, 해당 전극의 커버부재를 분리시키는 단계; 해당 공간부에 삽입된 전극을 탈착시키는 단계; 및 새로운 다른 전극을 삽입하는 단계; 커버부재를 장착하여 공간부를 재 밀봉시키는 단계를 포함한다.
10,20: 역전기투석 스택
100: 이온교환막
200a, 200b: 제1 및 제2 엔드 플레이트
300a, 300b: 제1 및 제2 전극

Claims (24)

  1. 제1 용액이 유동하는 하나 이상의 제1 유로 및 제1 용액보다 낮은 농도의 제2 용액이 유동하는 하나 이상의 제2 유로를 구획하도록 마련된 복수 개의 이온교환막;
    이온교환막을 각각 둘러싸도록 이온교환막과 마주하는 제1면, 제1면과 반대방향의 제2면 및 제1면과 제2면을 연결하는 측면을 갖는 제1 및 제2 엔드 플레이트;
    제1 엔드 플레이트에 적어도 하나가 교체 가능하게 삽입된 복수 개의 제1 전극; 및
    제2 엔드 플레이트에 적어도 하나가 교체 가능하게 삽입되며, 제1 엔드 플레이트의 제1 전극과 전기적으로 각각 연결된 복수 개의 제2 전극을 포함하고,
    각각의 엔드 플레이트는, 각각의 전극이 삽입되도록 제1면과 제2면을 관통하여 형성된 복수 개의 공간부를 갖는 본체; 및 각각의 공간부를 밀폐하도록 마련된 복수 개의 커버부재; 를 포함하며,
    본체에 가장 인접하게 배치된 이온교환막은, 2개 이상의 공간부를 둘러싸는, 역전기투석 스택.
  2. 제 1항에 있어서,
    제1 엔드 플레이트의 제1 전극 및 제2 엔드 플레이트의 제2 전극은 쌍을 이루어 전기를 생산하고,
    한 쌍의 전극에서 적어도 하나의 전극이 교체될 때, 나머지 쌍들의 전극에서 전기가 생산되는, 역전기투석 스택.
  3. 제 1항에 있어서,
    본체에 가장 인접하게 배치된 이온교환막의 적어도 일부 영역은, 본체와 접촉하도록 배치된, 역전기투석 스택.
  4. 제 1항에 있어서,
    각각의 공간부는 동일한 체적 또는 서로 다른 체적을 갖도록 마련되는, 역전기투석 스택.
  5. 제 1항에 있어서,
    제1 엔드 플레이트의 제1 전극 및 제2 엔드 플레이트의 제2 전극은 쌍을 이루어 전기를 생산하되, 각각의 쌍에서 발생하는 전압 및 전류는 서로 동일하거나 서로 다르게 형성되는, 역전기투석 스택.
  6. 제 5항에 있어서,
    제1 및 제2 전극 각각의 쌍에서 발생하는 전압 및 전류를 각각 조절하도록, 각각의 제1 및 제2 전극 쌍에 전기적으로 연결된 전압 및 전류 조절 장치를 각각 추가로 포함하며,
    전압 및 전류 조절 장치는, 역전기투석 스택의 출력이 최대 출력을 갖도록 전압 및 전류가 각각 조절되는, 역전기투석 스택.
  7. 제 5항에 있어서,
    각각의 쌍으로 이루어진 제1 및 제2 전극 측으로 전극 용액을 공급하기 위해 공간부와 유체이동 가능하게 연결된 전극 용액 공급부; 및
    각각 쌍으로 이루어진 제1 및 제2 전극에서, 적어도 한 쌍의 전극 중 하나의 전극이 교체될 때, 전극 용액 공급을 제어하도록 마련된 제어부; 를 추가로 포함하는, 역전기투석 스택.
  8. 제 1항에 있어서,
    제1 유로로 제1 용액을 공급하기 위해 제1 유로와 유체 이동 가능하게 연결된 제1 용액 공급부; 및
    제2 유로로 제2 용액을 공급하기 위해 제2 유로와 유체 이동 가능하게 연결된 제2 용액 공급부; 를 추가로 포함하는, 역전기투석 스택.
  9. 제 8항에 있어서,
    각각의 제1 유로에서 토출되는 제1 토출 용액을 제1 용액 공급부로 공급하기 위한 제1 토출 유로;
    각각의 제2 유로에서 토출되는 제2 토출 용액을 각각의 제1 전극 측으로 공급하기 위한 제2 토출 유로; 및
    각각의 제1 전극 측에서 토출되는 제3 토출 용액을 제2 용액 공급부로 공급하기 위한 제3 토출 유로; 를 추가로 포함하는, 역전기투석 스택.
  10. 제 1항에 있어서,
    각각의 제1 및 제2 전극은, 공간부에 삽입되는 각각의 전극과 접촉하여 전기적으로 연결되어 전기를 집진하도록 마련된 집전체를 추가로 포함하며,
    각각의 집전체는, 각각의 제1 및 제2 전극에 대응하는 각각의 커버부재를 관통하여 외부로 돌출되도록 마련된, 역전기투석 스택.
  11. 제 1항에 있어서,
    본체에 가장 인접하게 배치된 이온교환막의 적어도 일부 영역은, 각각의 공간부 측을 향하여 외부로 노출되도록 마련되고,
    각각의 공간부에는, 외부로 노출된 이온교환막에 접촉하여 배치되는 스페이서를 추가로 포함하는, 역전기투석 스택.
  12. 제 1항에 있어서,
    복수 개의 이온교환막은, 하나 이상의 양이온교환막 및 하나 이상의 음이온 교환막을 포함하고, 양이온 교환막과 음이온 교환막이 번갈아 배치될 때,
    인접하는 2개의 이온교환막 사이에 각각 배치되어, 제1 및 제2 용액의 유동을 안내하기 위한 복수 개의 가스켓을 포함하며,
    복수 개의 가스켓은, 제1 용액의 유동을 안내하도록 마련된 하나 이상의 제1 가스켓 및 제2 용액의 유동을 안내하도록 마련된 하나 이상의 제2 가스켓을 포함하고,
    제1 가스켓 및 제2 가스켓은 서로 번갈아 배치되는, 역전기투석 스택.
  13. 제 12항에 있어서,
    복수 개의 이온교환막은,
    이온교환막의 폭 방향을 따르는 양 단부 측에 각각 마련되고, 길이 방향을 따라 소정간격 떨어져 마련된 하나 이상의 제1 유동홀 및
    이온교환막의 길이 방향을 따르는 양 단부 측에 각각 마련되고, 폭 방향을 따라 소정간격 떨어져 마련된 하나 이상의 제2 유동홀을 포함하는, 역전기투석 스택.
  14. 제 13항에 있어서,
    제1 가스켓은, 하나 이상의 제1 유동홀을 연결하는 제1 유동 안내부를 갖고,
    제2 가스켓은, 하나 이상의 제2 유동홀을 연결하는 제2 유동 안내부를 갖는, 역전기투석 스택.
  15. 제 13항에 있어서,
    제1 가스켓은, 하나 이상의 제2 유동홀과 각각 대응하는 위치에, 각각의 제2 유동홀과 유체 이동 가능하게 연결되는 하나 이상의 제1 통과홀을 갖고,
    제2 가스켓은, 하나 이상의 제1 유동홀과 각각 대응하는 위치에, 각각의 제1 유동홀과 유체 이동 가능하게 연결되는 하나 이상의 제2 통과홀을 갖는, 역전기투석 스택.
  16. 제 13항에 있어서,
    제1 엔드 플레이트는, 하나 이상의 제1 유동홀 및 제2 통과홀과 각각 유체 이동 가능하게 연결되는 하나 이상의 제1 유동포트 및 하나 이상의 제2 유동홀 및 제1 통과홀과 각각 유체 이동 가능하게 연결되는 하나 이상의 제2 유동포트를 갖고,
    제2 엔드 플레이트는, 하나 이상의 제1 유동홀 및 제2 통과홀과 각각 유체 이동 가능하게 연결되는 하나 이상의 제3 유동포트 및 하나 이상의 제2 유동홀 및 제1 통과홀과 각각 유체 이동 가능하게 연결되는 하나 이상의 제4 유동포트를 갖는, 역전기투석 스택.
  17. 제 14항에 있어서,
    제1 유동 안내부는, 제1 용액이 이온교환막의 폭 방향을 따라 유동하도록 서로 마주하는 한 쌍의 제1 유동홀들을 연결하도록 마련되고,
    제2 유동 안내부는, 제2 용액이 이온교환막의 길이 방향을 따라 유동하도록 서로 마주하는 한 쌍의 제2 유동홀들을 연결하도록 마련되는, 역전기투석 스택.
  18. 제 17항에 있어서,
    제1 및 제2 엔드 플레이트는 각각 폭 방향을 따라 제1 길이를 갖고, 길이 방향을 따라 제1 길이보다 긴 제2 길이를 갖도록 마련되고,
    이온교환막 및 가스켓은, 각각 제1 길이와 대응하도록 폭 방향을 따라 제3 길이를 갖고, 제2 길이와 대응하도록 길이 방향을 따라 제3 길이보다 긴 제4 길이를 갖도록 마련될 때,
    제1 용액이 이온교환막의 폭 방향을 따라 유동하는 제1 유동 길이는, 제2 용액이 이온교환막의 길이 방향을 따라 유동하는 제2 유동 길이보다 짧게 마련된, 역전기투석 스택.
  19. 제 2항에 있어서,
    한 쌍의 전극들이 전기적으로 연결될 때, 한 쌍의 전극을 각각 전기적으로 연결하여 각 한 쌍으로 이루어진 전극들을 병렬로 전기적으로 연결하거나, 인접하는 각각의 제1 및 제2 전극을 차례로 직렬로 전기적으로 연결하는, 역전기투석 스택.
  20. 제 1항에 있어서,
    제1 전극은, 각각의 제1 전극에 접촉하며 제1 엔드 플레이트에 교체 가능하게 삽입되는 복수 개의 제1 촉매전극을 추가로 포함하며,
    제2 전극은, 각각의 제2 전극에 접촉하며 제2 엔드 플레이트에 교체 가능하게 삽입되는 복수 개의 제2 촉매전극을 추가로 포함하며,
    제1 촉매전극과 제2 촉매전극은 서로 다른 촉매층을 갖는, 역전기투석 스택.
  21. 제1 용액이 유동하는 하나 이상의 제1 유로 및 제1 용액보다 낮은 농도의 제2 용액이 유동하는 하나 이상의 제2 유로를 구획하도록 마련된 복수 개의 이온교환막;
    이온교환막을 각각 둘러싸도록 이온교환막과 마주하는 제1면, 제1면과 반대방향의 제2면 및 제1면과 제2면을 연결하는 측면을 갖는 제1 및 제2 엔드 플레이트; 및
    제1 엔드 플레이트에 적어도 하나가 교체 가능하게 삽입된 복수 개의 제1 전극;
    제2 엔드 플레이트에 배치되며, 제1 엔드 플레이트의 제1 전극과 전기적으로 연결된 하나 이상의 제2 전극을 포함하며,
    제1 엔드 플레이트는, 각각의 제1 전극이 삽입되도록 제1면과 제2면을 관통하여 형성된 복수 개의 공간부를 갖는 본체; 및 각각의 공간부를 밀폐하도록 마련된 복수 개의 커버부재; 를 포함하며,
    본체에 가장 인접하게 배치된 이온교환막은, 2개 이상의 공간부를 둘러싸는, 역전기투석 스택.
  22. 제 21항에 있어서,
    제1 엔드 플레이의 공간부에 각각의 제1 전극이 삽입된 상태에서, 적어도 하나의 제1 전극이 교체될 때, 나머지 제1 전극을 통해 전기가 생산되는, 역전기투석 스택.
  23. 제1항 또는 제21항 중 어느 한 항에 따른 역전기투석 스택의 제조방법으로서,
    복수 개의 이온 교환막을 적층시키는 단계;
    제1 엔드 플레이트를 이온교환막 상에 배치시키는 단계;
    각각의 공간부에 전극을 삽입하는 단계; 및
    커버부재를 장착하여 공간부를 밀봉시키는 단계를 포함하는, 역전기투석 스택의 제조방법.
  24. 제1항 또는 제21항 중 어느 한 항에 따른 역전기투석 스택을 이용한 폐수처리 시스템으로서,
    제1항 또는 제21항 중 어느 한 항에 따른 역전기투석 스택을 포함하고,
    폐수처리 시스템은, 제1 용액 공급부의 제1 용액의 초기 농도를 유지하기 위해 제1 용액의 농도를 모니터링 하도록 마련된 모니터링 부; 및
    모니터링 부에서 측정된 농도가 제1 용액의 초기 농도보다 낮아 지는 경우, 초기 농도를 유지하기 위해 제1 용액 공급부로 제1 용액을 추가로 공급하도록 마련된 제1 용액 추가부; 를 포함하는, 역전기투석 스택을 이용한 폐수처리 시스템.
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JP2011517012A (ja) * 2008-02-27 2011-05-26 レッドスタック・ベスローテン・フェンノートシャップ 逆電気透析プロセスを実行するためのデバイス及び方法
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