KR20230132268A - Desalination Device and Desalination Method Using a Net Flow in a Constant Direction - Google Patents

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Abstract

본 발명은 피처리수 내의 오염물질을 제거하기 위한 탈염 장치로서, 캐소드, 애노드 및 음이온 교환막을 포함하는 전기 분해 유닛; 상기 캐소드측에 위치하여서 상기 탈염 장치의 외부로부터 음이온 교환막으로의 방향으로 피처리수를 공급하는 피처리수 공급 유로; 상기 캐소드측에 위치하여서 상기 오염물질이 상기 음이온 교환막을 통과하여 상기 애노드측으로 전달되어 제거된 피처리수를 상기 탈염 장치의 외부로 배출하는 피처리수 배출 유로; 상기 애노드측에 위치하여서 상기 탈염 장치의 외부로부터 음이온 교환막으로의 방향으로 세척수를 공급하는 세척수 공급 유로; 및 상기 애노드측에 위치하여서 상기 캐소드측으로부터 상기 음이온 교환막을 통과하여 전달된 상기 오염물질을 포함하는 세척수를 상기 탈염 장치의 외부로 배출하는 세척수 배출 유로;를 포함하고, 상기 세척수의 순흐름(net-flow)은 상기 세척수 공급 유로의 길이 방향을 따라서 선형의 흐름을 가지는 것인, 탈염 장치 및 탈염 방법에 관한 것이다.The present invention is a desalination device for removing contaminants in treated water, comprising: an electrolysis unit including a cathode, an anode, and an anion exchange membrane; a water supply channel located on the cathode side and supplying water to be treated from the outside of the desalination device toward the anion exchange membrane; a treated water discharge channel located on the cathode side and discharging the treated water removed by passing the contaminants through the anion exchange membrane to the anode side to the outside of the desalination device; a washing water supply channel located on the anode side and supplying washing water from the outside of the desalination device to the anion exchange membrane; And a washing water discharge channel located on the anode side and discharging the washing water containing the contaminants transferred from the cathode side through the anion exchange membrane to the outside of the desalination device; a net flow (net) of the washing water. -flow) relates to a desalting device and a desalting method having a linear flow along the longitudinal direction of the washing water supply passage.

Description

일정한 방향의 순흐름을 이용한 탈염 장치 및 탈염 방법{Desalination Device and Desalination Method Using a Net Flow in a Constant Direction}Desalination Device and Desalination Method Using a Net Flow in a Constant Direction}

본 발명은 세척수를 이용한 탈염 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 폐수 시설에서 배출된 처리수를 일정 방향의 순흐름을 가지는 세척수로 공급함으로써 이온 교환막 및 전극의 손상을 방지하고 폐수 내 염분을 효율적으로 분리하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to desalination technology using washing water. More specifically, by supplying treated water discharged from a wastewater facility as washing water with a net flow in a certain direction, damage to the ion exchange membrane and electrodes is prevented and salts in the wastewater are efficiently removed. It's about separation technology.

기존의 전기화학 반응을 이용한 탈염 장치는 주로 배치식으로 구성되거나, 연속흐름식으로 구성되었는데, 이온 교환 과정에서 탈염 장치 내의 이온 교환막 표면이 오염되고, 이에 따라 이온 교환막에서의 농도 구배가 현저하게 떨어져 이온교환 효율이 급격하게 저하되는 단점이 있다. 이는 탈염 반응이 일어나는 과정 중 이온교환막 표면에서 생성되는 유기물이 이온 교환막의 표면에 침착되어 이온교환 역할을 하는 관능기를 덮게 되는 결과, 이온교환 성능이 크게 저하되는 것이다. Existing desalination devices using electrochemical reactions were mainly configured as a batch type or a continuous flow type. However, during the ion exchange process, the surface of the ion exchange membrane within the desalination device was contaminated, and as a result, the concentration gradient in the ion exchange membrane dropped significantly. There is a disadvantage that ion exchange efficiency rapidly decreases. This is because organic substances generated on the surface of the ion exchange membrane during the desalting reaction process are deposited on the surface of the ion exchange membrane and cover the functional groups that play an ion exchange role, resulting in a significant decrease in ion exchange performance.

따라서 이온 교환 성능의 유지를 위해 이온 교환막 표면의 세척이 필요한데, 일반적으로 이온 교환막은 산, 염기에 매우 취약하여 이온교환막의 산, 염기 세척을 할 수 없고, 별도의 스케일 제거 없이 주기적으로 이온교환막을 교체하고 있는 실정이다.Therefore, cleaning the surface of the ion exchange membrane is necessary to maintain ion exchange performance. In general, ion exchange membranes are very vulnerable to acids and bases, so acid and base cleaning of the ion exchange membrane is not possible, and the ion exchange membrane must be cleaned periodically without separate scale removal. It is currently being replaced.

이러한 탈염 장치의 단점으로 인해 연속흐름식인 대부분의 산업공정에는 이온 교환막이 장착된 전기화학적 탈염 장치가 활용되지 못하는 실정이며, 일부 사용되고 있는 시설에서도 연속적인 전기 탈염 운전이 이루어지지 못하고 간헐적인 중단 후 이온 교환막의 교체가 이루어지고 있는 실정이다. 이는 전기화학적 이온교환 시설의 성능 저하 및 유지관리 비용 증가 문제로 이어지며, 이온교환막을 이용한 전기화학적 탈염 기술의 실용화를 어렵게 하는 원인이 되고 있다. Due to the shortcomings of these desalination devices, electrochemical desalination devices equipped with ion exchange membranes cannot be used in most continuous-flow industrial processes, and even in some facilities that are used, continuous electric desalination operation cannot be achieved and ionization occurs after intermittent interruptions. The exchange membrane is currently being replaced. This leads to problems of reduced performance of electrochemical ion exchange facilities and increased maintenance costs, making it difficult to commercialize electrochemical desalination technology using ion exchange membranes.

이로 인하여 염소이온 분리 목적의 전기화학적 탈염 시스템에서는 이온교환막을 사용하지 못하는 경우가 대부분이며, 이온교환막을 이용한 염소 이온의 고성능 선택적 분리가 사실상 불가능한 실정이다. 바닷물의 전기탈염의 경우, 이온교환막을 사용하지 않고 염소 이온이 염소 가스로 산화되어 차아염소산으로 전환되지만, 이온교환막을 사용하지 않아 모든 양이온과 음이온이 이동하기 때문에 전기화학을 통한 원수로부터의 염소이온의 선택적 분리는 불가능하다. 또한 염소이온의 탈염 과정에서 발생하는 고농도의 염소가스, 차아염소산, 아염소산이 전극을 산화시켜 연속적인 탈염공정의 운전이 불가능하며, 주기적으로 전극을 교체해야 하는 단점이 발생한다. For this reason, in most cases, ion exchange membranes cannot be used in electrochemical desalination systems for the purpose of chlorine ion separation, and high-performance selective separation of chlorine ions using ion exchange membranes is virtually impossible. In the case of electrical desalination of seawater, chlorine ions are oxidized to chlorine gas and converted to hypochlorous acid without using an ion exchange membrane. However, since all cations and anions move because an ion exchange membrane is not used, chlorine ions from raw water through electrochemistry are transferred. Selective separation is not possible. In addition, the high concentration of chlorine gas, hypochlorous acid, and chlorous acid generated during the desalination process of chlorine ions oxidizes the electrodes, making it impossible to operate the desalination process continuously, and the disadvantage is that the electrodes must be replaced periodically.

따라서 폐수로부터 고농도의 염분을 제거하기 위해서는 이온교환막의 사용이 필수적이며, 이온교환막을 통한 고성능의 염분분리 시스템의 구성을 위해 전기화학적 탈염 장치가 사용되어야 한다. 그러나 이러한 필요성에도 불구하고 염소이온을 원수로부터 안전하게 분리하는 기술이 부재한 상황이며, 염소이온을 분리하더라도 이온교환막과 전극의 손상이 없이 장기적으로 고효율을 유지할 수 있는 탈염 장치가 없어 고농도 염분 폐수의 처리기술에 한계를 보이고 있는 실정이다.Therefore, in order to remove high concentrations of salt from wastewater, the use of an ion exchange membrane is essential, and an electrochemical desalination device must be used to construct a high-performance salt separation system through an ion exchange membrane. However, despite this need, there is no technology to safely separate chlorine ions from raw water, and there is no desalination device that can maintain high efficiency over a long period of time without damaging the ion exchange membrane and electrode even if chlorine ions are separated, so treatment of high-concentration salt wastewater The technology is currently showing its limitations.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 전기화학적으로 분리된 염소 이온과 이온 교환막을 통해 확산된 오염물질이 선형의 순흐름을 가지는 세척수에 의해서, 세척수 내에서의 흐름 방향에서의 혼합이 없이, 세척수 공급 유로로부터 음이온 교환막을 거쳐 세척수 배출 유로를 순차적으로 통과하여 이온 교환막이 세척되도록 하는 탈염 장치 및 탈염 방법을 제공한다.The present invention is intended to solve the above-described problem, in which electrochemically separated chlorine ions and contaminants diffused through an ion exchange membrane are washed with a linear net flow, without mixing in the direction of flow within the wash water. , a desalting device and desalting method are provided in which the ion exchange membrane is washed by sequentially passing from the washing water supply passage through the anion exchange membrane to the washing water discharge passage.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 피처리수 내의 오염물질을 제거하기 위한 탈염 장치로서, 캐소드, 애노드 및 음이온 교환막을 포함하는 전기 분해 유닛; 상기 캐소드측에 위치하여서 상기 탈염 장치의 외부로부터 음이온 교환막으로의 방향으로 피처리수를 공급하는 피처리수 공급 유로; 상기 캐소드측에 위치하여서 상기 오염물질이 상기 음이온 교환막을 통과하여 상기 애노드측으로 전달되어 제거된 피처리수를 상기 탈염 장치의 외부로 배출하는 피처리수 배출 유로; 상기 애노드측에 위치하여서 상기 탈염 장치의 외부로부터 음이온 교환막으로의 방향으로 세척수를 공급하는 세척수 공급 유로; 및 상기 애노드측에 위치하여서 상기 캐소드측으로부터 상기 음이온 교환막을 통과하여 전달된 상기 오염물질을 포함하는 세척수를 상기 탈염 장치의 외부로 배출하는 세척수 배출 유로;를 포함하고, 상기 세척수의 순흐름(net-flow)은 상기 세척수 공급 유로의 길이 방향을 따라서 선형의 흐름을 가지는 것인, 탈염 장치를 제공한다.According to one embodiment of the present invention, a desalination device for removing contaminants in water to be treated, comprising: an electrolysis unit including a cathode, an anode, and an anion exchange membrane; a water supply channel located on the cathode side and supplying water to be treated from the outside of the desalination device toward the anion exchange membrane; a treated water discharge channel located on the cathode side and discharging the treated water removed by passing the contaminants through the anion exchange membrane to the anode side to the outside of the desalination device; a washing water supply channel located on the anode side and supplying washing water from the outside of the desalination device to the anion exchange membrane; And a washing water discharge channel located on the anode side and discharging the washing water containing the contaminants transferred from the cathode side through the anion exchange membrane to the outside of the desalination device; a net flow (net) of the washing water. -flow) provides a desalination device having a linear flow along the longitudinal direction of the washing water supply flow path.

또한, 본 발명의 다른 일 실시형태에 따르면, 피처리수 내의 오염물질을 제거하기 위한 탈염 방법으로서, 상기 피처리수를 피처리수 공급 유로를 통해 전기 분해 유닛의 캐소드를 거쳐서 음이온 교환막으로의 방향으로 공급하는 피처리수의 공급 단계; 상기 피처리수 내의 오염물질을 상기 음이온 교환막을 통과시켜서 애노드측으로 전달하여 제거하는 오염물질의 전달 단계; 상기 오염물질이 제거된 피처리수를 상기 음이온 교환막으로부터 상기 캐소드를 거쳐서 피처리수 배출 유로를 통해 외부로 배출하는 피처리수의 배출 단계; 세척수를 세척수 공급 유로를 통해 상기 음이온 교환막으로의 방향으로 공급하는 세척수의 공급 단계; 및 상기 음이온 교환막을 통과하여 전달된 상기 오염물질을 포함하는 세척수를 상기 애노드를 거쳐서 세척수 배출 유로를 통해 외부로 배출하는 세척수의 배출 단계;를 포함하고, 상기 세척수의 순흐름은 상기 세척수 공급 유로의 길이 방향을 따라서 선형의 흐름을 가지는 것인, 탈염 방법을 제공한다.In addition, according to another embodiment of the present invention, as a desalination method for removing contaminants in water to be treated, the water to be treated is directed to the anion exchange membrane through the cathode of the electrolysis unit through the water to be treated supply passage. A supply step of treated water supplied to; A contaminant transfer step of removing contaminants in the treated water by passing them through the anion exchange membrane and transferring them to the anode side; A discharge step of discharging the treated water from which the contaminants have been removed from the anion exchange membrane, through the cathode, and discharging the treated water to the outside through a treated water discharge passage; A washing water supply step of supplying washing water through a washing water supply passage toward the anion exchange membrane; and a discharge step of discharging the washing water containing the contaminants transferred through the anion exchange membrane through the anode to the outside through the washing water discharge passage, wherein the net flow of the washing water is in the washing water supply passage. A desalting method having a linear flow along the longitudinal direction is provided.

본 발명의 탈염 장치 및 탈염 방법을 이용하면, 세척수를 세척수 공급 유로를 따라서 한쪽 방향으로만 연속적으로 주입함과 동시에 세척수 배출 유로를 따라 연속적으로 배출함으로써 이온교환막 표면이 연속적으로 세척되는 결과, 유입수 또는 세척수에 함유된 염분, 유기오염물질 또는 암모니아를 역류 없이 애노드방향으로 이동시킬 수 있다. 이에 따라, 고농도의 염분을 포함한 폐수의 처리를 보다 간단한 공정에서 고효율로 처리할 수 있다.Using the desalination device and desalination method of the present invention, the washing water is continuously injected in only one direction along the washing water supply flow path and at the same time continuously discharged along the washing water discharge flow path, resulting in the surface of the ion exchange membrane being continuously cleaned. Salt, organic contaminants, or ammonia contained in the washing water can be moved toward the anode without backflow. Accordingly, wastewater containing a high concentration of salt can be treated with high efficiency in a simpler process.

도 1은 실시예 1에 따른 층류 흐름을 이용한 탈염 장치를 개략적으로 나타낸 도시이다.
도 2는 비교예 1에 따른 난류 흐름을 이용한 탈염 장치를 개략적으로 나타낸 도시이다.
도 3은 실시예 1에 따른 탈염 장치에서 최종 유출되는 세척수 및 비교예 1에 따른 탈염 장치에서의 최종 유출수의 pH를 전류밀도에 따라 비교한 도시이다.
도 4는 실시예 1에 따른 탈염 장치에서 유입되는 피처리수 및 최종 유출되는 세척수 내 염소 이온(Cl-)의 농도를 전류밀도에 따라 비교한 도시이다.
도 5는 실시예 1에 따른 탈염 장치에서 최종 유출되는 세척수 및 비교예 1에 따른 탈염 장치에서의 최종 유출수의 COD를 전류밀도에 따라 비교한 도시이다.
도 6은 실시예 1에 따른 탈염 장치에서 최종 유출되는 세척수 및 비교예 1에 따른 탈염 장치에서의 최종 유출수의 암모늄 이온(NH4 +)의 농도를 전류밀도에 따라 비교한 도시이다.
도 7은 실시예 1에 따른 탈염 장치 및 비교예 1에 따른 탈염 장치의 음이온 교환막 표면에서의 COD, 암모늄 이온 및 염소 이온의 플럭스에 대한 이론값과 실측값을 비교한 도시이다.
Figure 1 is a diagram schematically showing a desalination device using laminar flow according to Example 1.
Figure 2 is a diagram schematically showing a desalination device using turbulent flow according to Comparative Example 1.
Figure 3 is a diagram comparing the pH of the washing water finally discharged from the desalination device according to Example 1 and the final effluent water from the desalination device according to Comparative Example 1 according to current density.
Figure 4 is a diagram comparing the concentration of chlorine ions (Cl - ) in the treated water flowing in from the desalination device according to Example 1 and the final outflow washing water according to the current density.
Figure 5 is a diagram comparing the COD of the washing water finally discharged from the desalination device according to Example 1 and the final discharge water from the desalination device according to Comparative Example 1 according to current density.
Figure 6 is a diagram comparing the concentration of ammonium ions (NH 4 + ) in the washing water finally discharged from the desalination device according to Example 1 and the final discharge water from the desalination device according to Comparative Example 1 according to current density.
Figure 7 is a diagram comparing theoretical and actual values for the fluxes of COD, ammonium ions, and chlorine ions on the surface of the anion exchange membrane of the desalination device according to Example 1 and the desalination device according to Comparative Example 1.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명인 제염 폐액의 처리 방법에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the attached drawings, the method of treating decontamination waste liquid according to the present invention will be described in detail so that a person skilled in the art can easily carry out the method.

본 발명에 일 실시형태에 따른 탈염 장치는 피처리수 내의 오염물질을 제거하기 위한 탈염 장치로서, 캐소드, 애노드 및 음이온 교환막을 포함하는 전기 분해 유닛; 상기 캐소드측에 위치하여서 상기 탈염 장치의 외부로부터 음이온 교환막으로의 방향으로 피처리수를 공급하는 피처리수 공급 유로; 상기 캐소드측에 위치하여서 상기 오염물질이 상기 음이온 교환막을 통과하여 상기 애노드측으로 전달되어 제거된 피처리수를 상기 탈염 장치의 외부로 배출하는 피처리수 배출 유로; 상기 애노드측에 위치하여서 상기 탈염 장치의 외부로부터 음이온 교환막으로의 방향으로 세척수를 공급하는 세척수 공급 유로; 및 상기 애노드측에 위치하여서 상기 캐소드측으로부터 상기 음이온 교환막을 통과하여 전달된 상기 오염물질을 포함하는 세척수를 상기 탈염 장치의 외부로 배출하는 세척수 배출 유로;를 포함하고, 상기 세척수의 순흐름은 상기 세척수 공급 유로의 길이 방향을 따라서 선형의 흐름을 가지는 것인, 탈염 장치를 제공한다.A desalination device according to an embodiment of the present invention is a desalination device for removing contaminants in treated water, including an electrolysis unit including a cathode, an anode, and an anion exchange membrane; a water supply channel located on the cathode side and supplying water to be treated from the outside of the desalination device toward the anion exchange membrane; a treated water discharge channel located on the cathode side and discharging the treated water removed by passing the contaminants through the anion exchange membrane to the anode side to the outside of the desalination device; a washing water supply channel located on the anode side and supplying washing water from the outside of the desalination device to the anion exchange membrane; And a washing water discharge channel located on the anode side and discharging the washing water containing the contaminants transferred from the cathode side through the anion exchange membrane to the outside of the desalination device, wherein the net flow of the washing water is the Provided is a desalination device having a linear flow along the longitudinal direction of a washing water supply flow path.

탈염 기술은, 해수나 폐수 등과 같은 오염수에 함유되는 각종 부유물질이나 이온 성분을 제거하여 담수화하는 기술로, 화석연료나 전기 등의 열원을 이용하여 수분을 증발하는 증발법과, 분리막을 이용한 이물질을 걸러 제거하는 여과법과, 전극셀의 전기분해작용을 이용하여 이온들을 제거하는 전기투석법이 있다.Desalination technology is a technology that desalinates water by removing various suspended substances or ionic components contained in contaminated water such as seawater or wastewater. It involves an evaporation method that evaporates moisture using a heat source such as fossil fuel or electricity, and a separation membrane that removes foreign substances. There is a filtration method that removes ions by filtering them out, and an electrodialysis method that removes ions using the electrolysis action of electrode cells.

증발법은 화석연료나 전기 등을 열원으로 사용하여 수분을 증발시키는 것으로, 증발법 적용시 이용되는 탈염 장치의 부피가 커서 비효율적이고, 에너지의 소모량이 증대되어 제조단가가 증대될 뿐만 아니라, 화석연료의 사용으로 인한 대기오염의 원인이 된다. 여과법은 분리막에 고압을 가하여 이물질을 제거해야 하므로 에너지의 비용이 증대되고, 전기투석법은 지속적으로 전극셀을 교체해야 하므로 전극셀의 교체에 따른 낭비요인이 발생될 뿐만 아니라 인적 및 물적 부대비용이 증대되는 단점이 있다.The evaporation method uses fossil fuels or electricity as a heat source to evaporate moisture. When applying the evaporation method, the volume of the desalination device used is large, which makes it inefficient. Energy consumption increases, which not only increases the manufacturing cost, but also increases the consumption of fossil fuels. It causes air pollution due to its use. The filtration method requires applying high pressure to the separation membrane to remove foreign substances, which increases energy costs, and the electrodialysis method requires continuous replacement of electrode cells, which not only causes waste due to replacement of electrode cells, but also causes additional human and material costs. There are increasing disadvantages.

본 발명에 따른 탈염 장치는 세척수 공급 유로의 길이 방향을 따라서 선형의 흐름을 가지는 세척수를 공급하는데, 구체적으로 상기 세척수의 순흐름은 상기 탈염 장치의 외부로부터 세척수 공급 유로를 따라 음이온 교환막으로의 방향으로의 선형의 흐름과, 상기 음이온 교환막과 평행한 방향의 흐름과, 상기 음이온 교환막으로부터 상기 세척수 배출 유로를 따라 상기 탈염 장치의 외부로의 방향으로의 선형의 흐름을 가지는 것일 수 있다.The desalination device according to the present invention supplies washing water having a linear flow along the longitudinal direction of the washing water supply passage. Specifically, the net flow of the washing water is from the outside of the desalination device along the washing water supply passage to the anion exchange membrane. It may have a linear flow, a flow in a direction parallel to the anion exchange membrane, and a linear flow in a direction from the anion exchange membrane to the outside of the desalination device along the washing water discharge path.

이에 따라 이온 교환된 오염물질이 일정 방향의 순흐름을 가지는 세척수에 의해 역류 없이 애노드 방향으로 이동하게 되고, 그 결과 이온 교환막에 포함된 양이온성 관능기의 산화 분해를 방지할 수 있다. 구체적으로, 상기 오염물질 중 특히 염소 이온은 상기 탈염 장치의 애노드에서 염소계 산화제로 전환된 후 세척수에 포함되어 있거나 피처리수에서 분리된 다른 오염물질을 산화 분해시키고 다시 염소 이온으로 전환됨으로써, 염소계 산화제의 역류에 의한 이온 교환막에 포함된 양이온성 관능기의 산화 분해를 방지할 수 있고, 별도의 이온 교환막 교체나 세척 없이도 고효율로 탈염이 가능한 효과가 있다.Accordingly, the ion-exchanged contaminants are moved toward the anode without backflow by the washing water having a constant forward flow, and as a result, oxidative decomposition of the cationic functional group contained in the ion exchange membrane can be prevented. Specifically, among the contaminants, chlorine ions in particular are converted to chlorine-based oxidants at the anode of the desalination device, then oxidize and decompose other contaminants contained in the washing water or separated from the water to be treated, and are converted back to chlorine ions. It is possible to prevent oxidative decomposition of the cationic functional group contained in the ion exchange membrane due to countercurrent flow, and has the effect of enabling highly efficient desalination without separate ion exchange membrane replacement or washing.

상기 피처리수는 별도의 폐수 처리 시설에서 처리 대상으로 하는 폐수일 수 있다. 구체적으로, 상기 피처리수는 고농도의 난분해성 유기물 또는 고농도의 염분을 함유하고 있는 음폐수, 축산폐수, 매립장 침출수 등일 수 있다.The water to be treated may be wastewater that is subject to treatment in a separate wastewater treatment facility. Specifically, the water to be treated may be food wastewater, livestock wastewater, landfill leachate, etc. containing a high concentration of non-decomposable organic matter or a high concentration of salt.

상기 피처리수의 순흐름은 상기 탈염 장치의 외부로부터 피처리수 공급 유로를 따라 음이온 교환막으로의 방향으로의 선형의 흐름과, 상기 음이온 교환막과 평행한 방향의 흐름과, 상기 음이온 교환막으로부터 상기 피처리수 배출 유로를 따라 상기 탈염 장치의 외부로의 방향으로의 선형의 흐름을 가지는 것일 수 있다. 상기 피처리수가 일정 방향의 순흐름을 가짐으로써 피처리수 내 염소 이온을 비롯한 오염물질들의 분리 효율을 더욱 높일 수 있다.The net flow of the water to be treated is a linear flow from the outside of the desalination device along the water supply flow path to the anion exchange membrane, a flow in a direction parallel to the anion exchange membrane, and a flow of the water from the anion exchange membrane to the anion exchange membrane. It may have a linear flow toward the outside of the desalination device along the treated water discharge path. As the treated water has a net flow in a certain direction, the separation efficiency of contaminants, including chlorine ions, in the treated water can be further increased.

상기 오염물질은 염소 이온(Cl-), 암모늄 이온(NH4 +), 황산염(SO4 2-), 질산염(NO3 -), 아질산염(NO2 -), 인산염(PO4 3-)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 이온성 오염물질 및 용존성 유기오염물질을 포함하는 것일 수 있다. 특히, 피처리수 내의 암모늄 이온과 같은 양이온 및 용존성 유기오염물질은 도난 효과(donnan effect)에 의해 음이온 교환막을 통해 분산 또는 확산되는 것일 수 있다. The pollutants consist of chlorine ions (Cl - ), ammonium ions (NH 4 + ), sulfate (SO 4 2- ), nitrate (NO 3 - ), nitrite (NO 2 - ), and phosphate (PO 4 3- ). It may contain ionic pollutants and dissolved organic pollutants including at least one selected from the group. In particular, cations and dissolved organic contaminants such as ammonium ions in treated water may be dispersed or diffused through the anion exchange membrane by the donnan effect.

상기 염소 이온은 상기 탈염 장치에 의해 고농도로 분류되어 배출되는 것일 수 있고, 이온 교환막을 통과한 염소 이온이 상기 전기 분해 유닛의 애노드에서 염소계 산화제로 전환된 후, 상기 염소계 산화제가 염소 이온을 제외한 다른 오염 물질을 산화 분해하여 제거하는 것일 수 있다, 상기 염소계 산화제는 산화 분해 반응 이후 다시 염소 이온으로 전환되어 탈염 장치로부터 배출되는 것일 수 있다. The chlorine ions may be classified and discharged at a high concentration by the desalting device, and after the chlorine ions that have passed through the ion exchange membrane are converted to a chlorine-based oxidizing agent at the anode of the electrolysis unit, the chlorine-based oxidizing agent may be converted to other substances except chlorine ions. Contaminants may be removed by oxidation and decomposition. The chlorine-based oxidizing agent may be converted back into chlorine ions after an oxidation decomposition reaction and discharged from the desalination device.

상기 전기 분해 유닛에 포함된 음이온 교환막은 이온들을 분리하여 전극에 선택적으로 흡착시키는 역할을 하는 것으로 다공성으로 이루어진 것일 수 있다. 직류 전원에 의해 상기 음이온 교환막에 형성되는 전기장을 이용하여 폐수 속에 용해되어 있는 이온성 물질을 분리할 수 있다. 상기 음이온 교환막은 스킨층의 표면에 양이온성 관능기를 포함하는 것일 수 있고, 이에 따라 상기 고정된 양이온성 관능기와 이온 결합할 수 있는 음이온 물질이 선택적 투과성을 나타낼 수 있다. The anion exchange membrane included in the electrolysis unit serves to separate ions and selectively adsorb them to the electrode, and may be porous. Ionic substances dissolved in wastewater can be separated using the electric field formed in the anion exchange membrane by direct current power. The anion exchange membrane may include a cationic functional group on the surface of the skin layer, and thus an anionic material capable of ionic bonding with the fixed cationic functional group may exhibit selective permeability.

상기 음이온 교환막은 지지체인 직포 또는 부직포에, 양이온성 관능기를 가지는 고분자 수지를 유기용매에 녹여 제조한 이온 교환 용액을 코팅한 후 건조하여 스킨층을 제조하거나, 상기 직포 또는 부직포에 양이온성 관능기를 가지는 고분자 수지를 그래프팅 하여 스킨층을 제조할 수 있다.The anion exchange membrane is prepared by coating a woven or non-woven fabric as a support with an ion exchange solution prepared by dissolving a polymer resin having a cationic functional group in an organic solvent and then drying it to produce a skin layer, or by coating the woven or non-woven fabric as a support with an ion exchange solution prepared by dissolving a polymer resin having a cationic functional group in an organic solvent and then drying it. The skin layer can be manufactured by grafting polymer resin.

상기 직포 또는 부직포는 이온교환용액을 코팅하거나 함침하는 지지체로, 폴리아미드계(polyamideseries), 폴리에틸렌계(Polyethylene series), 폴리프로필렌계(polypropylene series), 셀룰로스계(celluloseseries), 아크릴계 (polyacryl series), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에스테르계(polyester series) 및 천연섬유로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 고분자로 형성되는 것일 수 있다.The woven fabric or non-woven fabric is a support coated or impregnated with an ion exchange solution, and includes polyamide series, polyethylene series, polypropylene series, cellulose series, acrylic series, It may be formed of at least one polymer selected from the group consisting of polyvinyl chloride (PVC), polyvinyl alcohol (PVA), polyester series, and natural fibers.

상기 유기용매는 디메틸포름아마이드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸-2-피롤리돈 아세톤, 클로로포름, 디클로로메탄, 트리클로로에틸렌, 에탄올, 메탄올, 노르말헥산 등에서 선택되는 적어도 하나인 것일 수 있다.The organic solvent may be at least one selected from dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone acetone, chloroform, dichloromethane, trichlorethylene, ethanol, methanol, n-hexane, etc.

상기 양이온성 관능기는 -NH3 +, -NRH2 +, -NR2H+, -NR3 +, -PR3 + 및 -SR2 +로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 양전하 관능기를 포함할 수 있다.The cationic functional group may include at least one positively charged functional group selected from the group consisting of -NH 3 + , -NRH 2 + , -NR 2 H + , -NR 3 + , -PR 3 + and -SR 2 + there is.

상기 애노드는 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 지르코늄(Zr) 및 붕소(B)가 도핑된 다이아몬드(BDD)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속 또는 합금 또는 이들의 산화물을 포함하는 것일 수 있다.The anode is made of diamond (BDD) doped with iridium (Ir), ruthenium (Ru), tin (Sn), titanium (Ti), molybdenum (Mo), tantalum (Ta), zirconium (Zr), and boron (B). It may contain at least one metal or alloy selected from the group consisting of, or an oxide thereof.

상기 캐소드는 반응 전위가 높으며, 상기 애노드는 반응 전위가 낮은 것일 수 있다. 상기 캐소드는 반응 전위가 높아 상대적으로 반응성이 낮으며 산화되기 어려운 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 애노드는 반응 전위가 낮아 상대적으로 반응성이 높고 산화되기 쉬운 것을 특징으로 할 수 있다. 이에 따라, 상기 전기 분해 유닛에 전압이 인가되면, 상기 캐소드에서는 환원반응이 일어나며 상기 애노드에서는 산화반응이 일어날 수 있다.The cathode may have a high reaction potential, and the anode may have a low reaction potential. The cathode may be characterized as being relatively low in reactivity and difficult to be oxidized due to its high reaction potential, and the anode may be characterized as having relatively high reactivity and being easily oxidized due to its low reaction potential. Accordingly, when voltage is applied to the electrolysis unit, a reduction reaction may occur at the cathode and an oxidation reaction may occur at the anode.

상기 애노드와 상기 음이온 교환막 사이의 공간에 존재하는 염소 이온은 상기 애노드와 전기화학적 반응으로 인하여 상기 애노드 표면에서 염소계 산화제로 전환될 수 있다. 이때, 상기 캐소드와 상기 음이온 교환막 사이의 공간과 상기 애노드와 상기 음이온 교환막 사이의 공간의 전기적 중성이 일시적으로 깨지게 되고, 상기 캐소드와 상기 음이온 교환막 사이의 공간에 존재하던 음이온들은 음이온 교환막을 통하여 상기 애노드와 상기 음이온 교환막 사이의 공간으로 확산되어 이동할 수 있다. 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 음이온 교환막을 두어 염소 이온을 포함한 오염물질들이 이동할 수 있도록 함으로써, 탈염과 염소계 산화제의 제조를 동시에 진행할 수 있다.Chlorine ions present in the space between the anode and the anion exchange membrane may be converted to a chlorine-based oxidizing agent on the anode surface due to an electrochemical reaction with the anode. At this time, the electrical neutrality of the space between the cathode and the anion exchange membrane and the space between the anode and the anion exchange membrane is temporarily broken, and the anions existing in the space between the cathode and the anion exchange membrane are transferred to the anode through the anion exchange membrane. It can diffuse and move into the space between the anion exchange membrane and the anion exchange membrane. By placing an anion exchange membrane between the anode and the cathode to allow contaminants including chlorine ions to move, desalination and production of a chlorine-based oxidizing agent can be performed simultaneously.

한편, 상기 애노드에서 염소 이온이 염소계 산화제로 전환된 후, 상기 염소계 산화제는 다시 음이온 교환막을 통해 이동한 오염물질들, 예를 들어 암모늄 이온(NH4 +), 황산염(SO4 2-), 질산염(NO3 -), 아질산염(NO2 -), 인산염(PO4 3-) 등을 산화 분해 시킨 후 다시 염소 이온으로 전환될 수 있다. 이에 따라, 상기 오염물질들의 역류로 인한 상기 음이온 교환막의 오염 및 상기 염소계 산화제의 역류로 인한 음이온 교환막에 포함된 양이온성 관능기의 산화 분해를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 폐수 내 염소 이온을 고효율로 분리할 수 있다.Meanwhile, after the chlorine ions are converted to the chlorine-based oxidizing agent at the anode, the chlorine-based oxidizing agent again removes contaminants that have moved through the anion exchange membrane, such as ammonium ions (NH 4 + ), sulfate (SO 4 2- ), and nitrate. (NO 3 - ), nitrite (NO 2 - ), phosphate (PO 4 3- ), etc. can be oxidized and decomposed and then converted back to chlorine ions. Accordingly, not only can it prevent contamination of the anion exchange membrane due to the backflow of the contaminants and oxidative decomposition of the cationic functional group contained in the anion exchange membrane due to the backflow of the chlorine-based oxidant, but also separate chlorine ions in the wastewater with high efficiency. can do.

본 발명에 따른 탈염 장치는 폐수에 포함된 염분을 분리하는 전기 분해 유닛뿐만 아니라, 상기 전기 분해 유닛의 기능이 더 효과적으로 발휘될 수 있도록 피처리수 공급 유로, 피처리수 배출 유로, 세척수 공급 유로 및 세척수 배출 유로를 포함할 수 있다.The desalination device according to the present invention not only has an electrolysis unit that separates salts contained in wastewater, but also has a treated water supply passage, a treated water discharge passage, a washing water supply passage, and It may include a washing water discharge path.

상기 피처리수 공급 유로는 상기 캐소드측에 위치하여서 상기 탈염 장치의 외부로부터 음이온 교환막으로의 방향으로 피처리수를 공급하는 것일 수 있다. 또한, 상기 피처리수 배출 유로는 상기 캐소드측에 위치하여서 상기 오염물질이 상기 음이온 교환막을 통과하여 상기 애노드측으로 전달되어 제거된 피처리수를 상기 탈염 장치의 외부로 배출하는 것일 수 있다.The treated water supply flow path may be located on the cathode side to supply treated water from the outside of the desalination device to the anion exchange membrane. In addition, the treated water discharge flow path may be located on the cathode side so that the contaminants pass through the anion exchange membrane and are transferred to the anode side to discharge the removed treated water to the outside of the desalination device.

구체적으로, 피처리수 공급 유로와 피처리수 배출 유로는 격막을 사이에 두고 접하고 있고, 피처리수 공급 유로의 유입구 및 피처리수 배출 유로의 배출구의 반대측은 모두 음이온 교환막에 의해 막혀있는 구조이다. 따라서, 피처리수 공급 유로를 따라 유입된 피처리수는 캐소드를 지나 음이온 교환막까지 이동한 후, 상기 피처리수 내 오염물질이 음이온 교환막을 통해 분리되고, 오염물질이 분리된 피처리수는 다시 피처리수 배출 유로를 통해 배출될 수 있다.Specifically, the treated water supply flow path and the treated water discharge flow path are in contact with a diaphragm in between, and the opposite sides of the inlet of the treated water supply flow path and the outlet of the treated water discharge flow path are both blocked by an anion exchange membrane. . Therefore, the treated water flowing in along the treated water supply passage passes the cathode and moves to the anion exchange membrane, then the contaminants in the treated water are separated through the anion exchange membrane, and the treated water from which the contaminants have been separated is again The treated water can be discharged through the discharge channel.

이와 같이 캐소드측에 위치한 상기 피처리수 공급 유로와 상기 피처리수 배출 유로에 의해 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 피처리수가 캐소드와 음이온 교환막 사이에서 일정한 방향의 순흐름을 가지게 되고, 즉 피처리수 공급 유로로 유입된 피처리수가 음이온 교환막으로 흐르고 상기 피처리수가 음이온 교환막에 도달하면 피처리수 배출 유로 방향으로 절곡되어 흐를 수 있다. 이때, 음이온 교환막 표면에서 상기 피처리수 내의 오염물질, 예를 들어 염소 이온, 암모늄 이온, 질산염 이온 등이 선택적으로 애노드측으로 이동할 수 있다.As shown in FIG. 1, the treated water has a net flow in a certain direction between the cathode and the anion exchange membrane due to the treated water supply flow path and the treated water discharge flow path located on the cathode side, that is, the treated water has a net flow in a certain direction between the cathode and the anion exchange membrane. The treated water flowing into the water supply passage flows to the anion exchange membrane, and when the treated water reaches the anion exchange membrane, it may bend and flow in the direction of the treated water discharge passage. At this time, contaminants in the water to be treated, such as chlorine ions, ammonium ions, and nitrate ions, can selectively move to the anode side on the surface of the anion exchange membrane.

한편, 상기 세척수 공급 유로는 상기 애노드측에 위치하여서 상기 탈염 장치의 외부로부터 음이온 교환막으로의 방향으로 세척수를 공급하는 것일 수 있다. 또한, 상기 세척수 배출 유로는 상기 애노드측에 위치하여서 상기 캐소드측으로부터 상기 음이온 교환막을 통과하여 전달된 상기 오염물질을 포함하는 세척수를 상기 탈염 장치의 외부로 배출하는 것일 수 있다.Meanwhile, the washing water supply passage may be located on the anode side to supply washing water from the outside of the desalination device to the anion exchange membrane. Additionally, the washing water discharge passage may be located on the anode side to discharge the washing water containing the contaminants transferred from the cathode side through the anion exchange membrane to the outside of the desalination device.

구체적으로, 세척수 공급 유로와 세척수 배출 유로는 격막을 사이에 두고 접하고 있고, 세척수 공급 유로의 유입구 및 세척수 배출 유로의 배출구의 반대측은 모두 음이온 교환막에 의해 막혀있는 구조이다. 따라서, 세척수 공급 유로를 따라 유입된 세척수는 애노드를 지나 음이온 교환막까지 이동한 후, 세척수 배출 유로 방향으로 절곡되어 흐를 수 있다. Specifically, the washing water supply flow path and the washing water discharge flow path are in contact with a diaphragm in between, and the opposite sides of the inlet of the washing water supply flow path and the outlet of the washing water discharge flow path are both blocked by an anion exchange membrane. Therefore, the washing water flowing in along the washing water supply flow path may pass through the anode, move to the anion exchange membrane, and then bend and flow in the direction of the washing water discharge flow path.

이 과정에서 세척수 내 염소 이온은 상기 애노드를 거치면서 산화되어 염소계 산화제로 전환되고, 상기 전환된 염소계 산화제는 세척수의 순흐름 방향을 따라 이동하여 음이온 교환막을 통해 이동해온 피처리수 유래의 오염물질을 산화 분해 시킨 후 염소 이온으로 재전환되며, 상기 재전환된 염소 이온을 포함한 세척수가 세척수 배출 유로를 통해 배출될 수 있다. In this process, chlorine ions in the washing water are oxidized while passing through the anode and converted to a chlorine-based oxidizing agent, and the converted chlorine-based oxidizing agent moves along the forward flow direction of the washing water and removes contaminants from the treated water that have moved through the anion exchange membrane. After oxidation and decomposition, it is reconverted into chlorine ions, and the washing water containing the reconverted chlorine ions can be discharged through the washing water discharge passage.

상기 세척수는 상기 피처리수를 폐수 처리 시설로부터 처리하여 공급되는 것일 수 있다. 또는 상기 세척수는 외부 지하수로부터 공급되는 것일 수 있다. 즉, 피처리수 내의 오염물질들이 상당부분 제거된 처리수 또는 지하수를 세척수로서 애노드에 공급하는 것일 수 있다. 상기 공급된 세척수가 상기 세척수 공급 유로와 상기 세척수 배출 유로를 거치면서 상기 애노드와 음이온 교환막 사이에서 일정한 방향의 순흐름을 가지게 되고, 상기 애노드에서의 전기화학 반응을 통해 상기 세척수 내 잔여 오염물질들을 제거함과 더불어 상기 음이온 교환막에 잔류하는 오염물질들이 세척될 수 있다. 이에 따라 상기 음이온 교환막 표면에서의 이온성 오염물질의 농도 구배를 최대로 유지할 수 있는 바, 염소 이온의 안정적이고 효율적인 분리가 가능하게 될 수 있다.The washing water may be supplied by treating the treated water from a wastewater treatment facility. Alternatively, the washing water may be supplied from external groundwater. That is, treated water or groundwater from which a significant portion of the contaminants in the treated water have been removed may be supplied to the anode as washing water. As the supplied washing water passes through the washing water supply flow path and the washing water discharge flow path, it has a net flow in a certain direction between the anode and the anion exchange membrane, and residual contaminants in the washing water are removed through an electrochemical reaction at the anode. In addition, contaminants remaining on the anion exchange membrane can be washed. Accordingly, the concentration gradient of ionic contaminants on the surface of the anion exchange membrane can be maintained to a maximum, thereby enabling stable and efficient separation of chlorine ions.

상기 음이온 교환막을 통해 애노드측으로 이동한 피처리수 유래의 이온성 오염물질 내 포함된 염소 이온 및 세척수 유래의 이온성 오염물질 내 포함된 염소 이온은 애노드측에서 염소(Cl2), 아염소산(HClO2), 차아염소산(HClO) 및 차아염소산 이온(OCl-)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 염소계 산화제 물질로 전환되고, 상기 전환된 염소계 산화제 물질은 상기 피처리수 또는 세척수 유래의 오염물질을 산화 분해시킬 수 있다.Chlorine ions contained in the ionic contaminants from the treated water and chlorine ions contained in the ionic contaminants from the washing water that moved to the anode side through the anion exchange membrane are chlorine (Cl 2 ) and chlorous acid (HClO) on the anode side. 2 ), is converted into at least one chlorine-based oxidizing material selected from the group consisting of hypochlorous acid (HClO) and hypochlorite ion (OCl - ), and the converted chlorine-based oxidizing material removes contaminants from the treated water or washed water. It can be oxidized and decomposed.

상기 애노드측에서 전환된 염소계 산화제 물질은 상기 이온성 오염물질을 산화 분해시킨 이후 다시 염소 이온으로 재전환될 수 있으며, 상기 전환된 염소계 산화제 물질은 세척수의 순흐름 방향을 따라 이동하게 되는 결과, 상기 염소계 산화제 물질에 의한 애노드 전극의 산화 및 음이온 교환막에 포함된 양이온성 관능기의 산화 분해를 방지할 수 있다.The chlorine-based oxidant material converted at the anode side can be reconverted back to chlorine ions after oxidizing and decomposing the ionic contaminants, and the converted chlorine-based oxidizing material moves along the forward flow direction of the washing water, resulting in the It can prevent oxidation of the anode electrode by chlorine-based oxidizing agents and oxidative decomposition of the cationic functional group contained in the anion exchange membrane.

상기 세척수는 레이놀드 수가 2000 이하인 층류 흐름을 갖는 것일 수 있다. 레이놀드 수는 하기 식 1과 같이 정의되는 것일 수 있다.The washing water may have a laminar flow with a Reynolds number of 2000 or less. Reynolds number may be defined as Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

(Re: 레이놀드 수, u: 유속, d: 관경, μ: 유체의 동점성계수)(Re: Reynolds number, u: flow rate, d: pipe diameter, μ: dynamic viscosity coefficient of fluid)

상기 세척수의 레이놀드 수가 2000을 초과하는 경우, 즉 난류 흐름인 경우 세척수가 일정한 흐름 방향을 가질 수 없고 불규칙하게 뒤섞이는 바, 애노드측에서 전환된 염소계 산화제 물질이 분산 또는 확산에 의해 전체 유체에 분포하게 되어 음이온 교환막의 오염 현상이 더욱 심해질 수 있고, 음이온 교환막에 포함된 양이온성 관능기가 산화 분해되어 상기 음이온 교환막의 염소 이온의 선택적 분리 기능이 상실될 수 있다.If the Reynolds number of the washing water exceeds 2000, that is, in the case of turbulent flow, the washing water cannot have a constant flow direction and is irregularly mixed, so the chlorine-based oxidizing agent converted at the anode side spreads through the entire fluid by dispersion or diffusion. As a result, contamination of the anion exchange membrane may become more severe, and the cationic functional group contained in the anion exchange membrane may be oxidized and decomposed, thereby losing the ability of the anion exchange membrane to selectively separate chlorine ions.

또한, 상기 피처리수는 레이놀드 수가 2000 이하인의 층류 흐름인 것일 수 있다. 세척수와 마찬가지로 피처리수 역시 층류 흐름을 가짐으로써 피처리수를 음이온 교환막으로의 방향으로 지속적이고 일정하게 접촉시키게 되는 결과, 피처리수에 포함된 염소 이온을 비롯한 오염물질들의 음이온 교환막을 통한 분리 효율을 더욱 높일 수 있다.Additionally, the water to be treated may be a laminar flow with a Reynolds number of 2000 or less. Like the washing water, the treated water also has a laminar flow, which results in continuous and constant contact of the treated water in the direction of the anion exchange membrane, resulting in the separation efficiency of contaminants, including chlorine ions, contained in the treated water through the anion exchange membrane. can be further increased.

본 발명에 따른 탈염 장치의 경우, 캐소드측에서의 pH 상승과 애노드측에서의 pH 감소가 지속적으로 발생하기 때문에, 피처리수 및 세척수의 pH를 중성 부근으로 조절하는 과정이 반드시 필요할 수 있다.In the case of the desalination device according to the present invention, since the pH rises on the cathode side and the pH decreases on the anode side continuously occurs, a process of adjusting the pH of the water to be treated and the washing water to near neutral may be necessary.

구체적으로, 피처리수가 공급되는 캐소드측에서는 하기 식 2와 같이 물의 환원 반응이 일어나 수산화이온(OH-)이 지속적으로 생성됨에 따라 pH가 12 이상으로 증가할 수 있다.Specifically, on the cathode side where treated water is supplied, a water reduction reaction occurs as shown in Equation 2 below, and hydroxide ions (OH - ) are continuously generated, so the pH may increase to 12 or more.

[식 2][Equation 2]

2H2O + 2e- H2 + 2OH- 2H 2 O + 2e - H 2 + 2OH -

한편, 염소 이온을 포함한 이온성 오염물질이 분리되어 이동되는 애노드 측은 하기 식 3과 같이 물의 연속적인 전기분해 반응에 의해 수소이온(H+)이 지속적으로 생성됨에 따라 pH가 2 이상으로 감소할 수 있다.Meanwhile, on the anode side, where ionic contaminants including chlorine ions are separated and moved, the pH may decrease to 2 or more as hydrogen ions (H + ) are continuously generated by the continuous electrolysis reaction of water as shown in Equation 3 below. there is.

[식 3][Equation 3]

2H2O → O2 + 4H+ + 4e- 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e -

이에 따라, 상기 피처리수 및 세척수의 pH는 각각 독립적으로 5 내지 10, 바람직하게는 pH 6 내지 9, 더 바람직하게는 pH 7 내지 8인 것일 수 있다. 상기 피처리수 및 세척수의 pH가 상기 수치범위의 상한치를 초과하는 경우 상기 음이온 교환막에 포함되는 양이온성 관능기가 수산화 이온과 과도하게 이온결합을 형성하거나 상기 관능기가 수산화 이온에 의해 치환되어 이온 교환 기능을 상실하게 되는 문제가 있을 수 있고, 상기 수치범위의 하한치에 미달되는 경우 음이온 교환막에 분포하는 관능기가 수소 이온에 의해 산화 분해되어 고분자 지지체에서 분리되는 결과 이온 교환막의 이온 교환 성능이 심각하게 저하될 수 있다.Accordingly, the pH of the treated water and the washing water may each independently be 5 to 10, preferably pH 6 to 9, and more preferably pH 7 to 8. When the pH of the water to be treated and the washing water exceeds the upper limit of the numerical range, the cationic functional group included in the anion exchange membrane excessively forms ionic bonds with hydroxide ions or the functional group is replaced by hydroxide ions, thereby preventing the ion exchange function. There may be a problem of loss of ion exchange membrane, and if it falls below the lower limit of the above numerical range, the functional groups distributed in the anion exchange membrane are oxidized and decomposed by hydrogen ions and separated from the polymer support, resulting in a serious deterioration in the ion exchange performance of the ion exchange membrane. You can.

본 발명에 따른 탈염 장치는 도 1에 나타낸 바와 같이 상기 피처리수 공급 유로 및 피처리수 배출 유로를 포함하는 반복단위 및 상기 세척수 공급 유로 및 세척수 배출 유로를 포함하는 반복단위가 상기 음이온 교환막을 사이에 두고 서로 대향하여 복수개 배치된 것일 수 있다. 이와 같이 피처리수의 공급 및 배출 유로를 포함하는 반복단위와 세척수의 공급 및 배출 유로를 포함하는 반복단위를 복수개 배치함으로써 염소 이온의 분리 및 폐수 내 오염물질의 제거 효율을 더욱 높일 수 있다.As shown in FIG. 1, the desalination device according to the present invention has a repeating unit including the treated water supply passage and a treated water discharge passage and a repeating unit including the washing water supply passage and the washing water discharge passage between the anion exchange membrane. There may be a plurality of them arranged opposite to each other. In this way, the efficiency of separating chlorine ions and removing pollutants in wastewater can be further increased by arranging a plurality of repeating units including supply and discharge passages for treated water and repeating units including supply and discharge passages for washing water.

또한, 본 발명에 따른 탈염 장치는 상기 세척수 배출 유로로부터 배출되는 세척수에 추가적인 전기 분해를 수행하기 위해 상기 전기 분해 유닛의 후단에 캐소드 및 애노드를 포함하는 반복단위가 복수개 배치된 것일 수 있다. 이에 따라, 분리된 염소 이온을 연속적으로 사용하여 염소계 산화제의 형성 및 그로 인한 오염물질들의 산화 분해가 연속적으로 이루어질 수 있는 바, 탈염 및 오염물질의 분해 성능을 극대화할 수 있다.In addition, the desalination device according to the present invention may have a plurality of repeating units including a cathode and an anode disposed at the rear end of the electrolysis unit to perform additional electrolysis on the wash water discharged from the wash water discharge passage. Accordingly, by continuously using the separated chlorine ions, the formation of a chlorine-based oxidizing agent and the resulting oxidative decomposition of contaminants can be continuously performed, thereby maximizing the performance of desalination and decomposition of contaminants.

상기 배출되는 피처리수 내 염소 이온의 농도는 상기 공급된 피처리수 내 염소 이온 농도 대비 80% 이상, 바람직하게는 85% 이상, 더 바람직하게는 90% 이상 감소된 것일 수 있다. 또한, 상기 세척수 배출부로부터 배출되는 세척수 내 화학적 산소 요구량(COD)은 상기 공급된 세척수 내 화학적 산소 요구량 대비 75% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 더 바람직하게는 82% 이상 감소하는 것일 수 있다. The concentration of chlorine ions in the discharged treated water may be reduced by 80% or more, preferably 85% or more, and more preferably 90% or more compared to the chlorine ion concentration in the supplied treated water. In addition, the chemical oxygen demand (COD) in the wash water discharged from the wash water discharge unit may be reduced by more than 75%, preferably by more than 80%, and more preferably by more than 82% compared to the chemical oxygen demand in the supplied wash water. .

상기 전기 분해 유닛을 통과하여 세척수 배출부로부터 배출되는 세척수 내 암모늄 이온(NH4 +)의 농도는 상기 공급된 세척수 내 암모늄 이온의 농도 대비 94%이상, 바람직하게는 95% 이상 감소하는 것일 수 있다.The concentration of ammonium ions (NH 4 + ) in the wash water passing through the electrolysis unit and discharged from the wash water discharge unit may be reduced by more than 94%, preferably by more than 95%, compared to the concentration of ammonium ions in the supplied wash water. .

상기와 같은 피처리수 내 염소 이온 농도, 세척수 내 화학적 산소 요구량 및 암모늄 이온 농도의 감소율을 달성하기 위해 본 발명에 따른 탈염 장치에는 10 내지 30 mA/㎠, 바람직하게는 15 내지 30 mA/㎠, 더 바람직하게는 20 내지 25 mA/㎠ 이상의 전류밀도가 적용되는 것일 수 있다.In order to achieve the reduction rate of chlorine ion concentration in treated water, chemical oxygen demand and ammonium ion concentration in washing water as described above, the desalination device according to the present invention includes 10 to 30 mA/cm2, preferably 15 to 30 mA/cm2, More preferably, a current density of 20 to 25 mA/cm2 or more may be applied.

본 발명의 다른 일 실시형태에 따른 탈염 방법에 의하면, 피처리수 내의 오염물질을 제거하기 위한 탈염 방법으로서, 상기 피처리수를 피처리수 공급 유로를 통해 전기 분해 유닛의 캐소드를 거쳐서 음이온 교환막으로의 방향으로 공급하는 피처리수의 공급 단계; 상기 피처리수 내의 오염물질을 상기 음이온 교환막을 통과시켜서 애노드측으로 전달하여 제거하는 오염물질의 전달 단계; 상기 오염물질이 제거된 피처리수를 상기 음이온 교환막으로부터 상기 캐소드를 거쳐서 피처리수 배출 유로를 통해 외부로 배출하는 피처리수의 배출 단계; 세척수를 세척수 공급 유로를 통해 상기 음이온 교환막으로의 방향으로 공급하는 세척수의 공급 단계; 및 상기 음이온 교환막을 통과하여 전달된 상기 오염물질을 포함하는 세척수를 상기 애노드를 거쳐서 세척수 배출 유로를 통해 외부로 배출하는 세척수의 배출 단계;를 포함하고, 상기 세척수의 순흐름은 상기 세척수 공급 유로의 길이 방향을 따라서 선형의 흐름을 가지는 것인, 탈염 방법을 제공한다.According to a desalination method according to another embodiment of the present invention, it is a desalination method for removing contaminants in water to be treated, wherein the water to be treated is passed through a cathode of an electrolysis unit through a water supply channel to an anion exchange membrane. A supply step of supplying treated water in the direction of; A contaminant transfer step of removing contaminants in the treated water by passing them through the anion exchange membrane and transferring them to the anode side; A discharge step of discharging the treated water from which the contaminants have been removed from the anion exchange membrane, through the cathode, and discharging the treated water to the outside through a treated water discharge passage; A washing water supply step of supplying washing water through a washing water supply passage toward the anion exchange membrane; and a discharge step of discharging the washing water containing the contaminants transferred through the anion exchange membrane through the anode to the outside through the washing water discharge passage, wherein the net flow of the washing water is in the washing water supply passage. A desalting method having a linear flow along the longitudinal direction is provided.

본 발명의 탈염 장치에 대해 설명한 내용 중 본 발명의 탈염 방법과 중복되는 내용은 그 상세한 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Among the contents described about the desalination device of the present invention, contents that overlap with the desalination method of the present invention may be equally applied even if the detailed description is omitted.

상기 세척수의 순흐름은 상기 탈염 장치의 외부로부터 세척수 공급 유로를 따라 음이온 교환막으로의 방향으로의 선형의 흐름과, 상기 음이온 교환막과 평행한 방향의 흐름과, 상기 음이온 교환막으로부터 상기 세척수 배출 유로를 따라 상기 탈염 장치의 외부로의 방향으로의 선형의 흐름을 가지는 것일 수 있다.The net flow of the washing water is a linear flow from the outside of the desalination device in the direction of the anion exchange membrane along the washing water supply passage, a flow in a direction parallel to the anion exchange membrane, and a flow in a direction parallel to the anion exchange membrane, and along the washing water discharge passage from the anion exchange membrane. It may have a linear flow toward the outside of the desalination device.

또한, 상기 피처리수의 순흐름은 상기 탈염 장치의 외부로부터 피처리수 공급 유로를 따라 음이온 교환막으로의 방향으로의 선형의 흐름과, 상기 음이온 교환막과 평행한 방향의 흐름과, 상기 음이온 교환막으로부터 상기 피처리수 배출 유로를 따라 상기 탈염 장치의 외부로의 방향으로의 선형의 흐름을 가지는 것일 수 있다.In addition, the net flow of the water to be treated is a linear flow from the outside of the desalination device along the water supply flow path to the anion exchange membrane, a flow in a direction parallel to the anion exchange membrane, and a flow from the anion exchange membrane. It may have a linear flow toward the outside of the desalination device along the discharge flow path of the treated water.

상기 상기 세척수는 레이놀드 수가 2000 이하인 층류 흐름인 것일 수 있다. 상기 세척수의 레이놀드 수가 2000을 초과하는 경우, 즉 난류 흐름인 경우 세척수가 일정한 흐름 방향을 가질 수 없고 불규칙하게 뒤섞이는 바, 애노드측에서 전환된 염소계 산화제 물질이 분산 또는 확산에 의해 전체 유체에 분포하게 되어 음이온 교환막의 오염 현상이 더욱 심해질 수 있고, 음이온 교환막에 포함된 양이온성 관능기가 산화 분해되어 상기 음이온 교환막의 염소 이온의 선택적 분리 기능이 상실될 수 있다.The washing water may be a laminar flow with a Reynolds number of 2000 or less. If the Reynolds number of the washing water exceeds 2000, that is, in the case of turbulent flow, the washing water cannot have a constant flow direction and is irregularly mixed, so the chlorine-based oxidizing agent converted at the anode side spreads through the entire fluid by dispersion or diffusion. As a result, contamination of the anion exchange membrane may become more severe, and the cationic functional group contained in the anion exchange membrane may be oxidized and decomposed, thereby losing the ability of the anion exchange membrane to selectively separate chlorine ions.

또한, 상기 피처리수는 레이놀드 수가 2000 이하인 층류 흐름인 것일 수 있다. 세척수와 마찬가지로 피처리수 역시 층류 흐름을 가짐으로써 피처리수를 음이온 교환막으로의 방향으로 지속적이고 일정하게 접촉시키게 되는 결과, 피처리수에 포함된 염소 이온을 비롯한 오염물질들의 음이온 교환막을 통한 분리 효율을 더욱 높일 수 있다.Additionally, the water to be treated may be a laminar flow with a Reynolds number of 2000 or less. Like the washing water, the treated water also has a laminar flow, which results in continuous and constant contact of the treated water in the direction of the anion exchange membrane, resulting in the separation efficiency of contaminants, including chlorine ions, contained in the treated water through the anion exchange membrane. can be further increased.

상기 오염물질은 염소 이온(Cl-), 암모늄 이온(NH4 +), 황산염(SO4 2-), 질산염(NO3 -), 아질산염(NO2 -), 인산염(PO4 3-)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 이온성 오염물질 및 용존성 유기오염물질을 포함하는 것일 수 있다. 특히, 피처리수 내의 암모늄 이온과 같은 양이온 및 용존성 유기오염물질은 도난 효과(donnan effect)에 의해 음이온 교환막을 통해 분산 또는 확산되는 것일 수 있다. The pollutants consist of chlorine ions (Cl - ), ammonium ions (NH 4 + ), sulfate (SO 4 2- ), nitrate (NO 3 - ), nitrite (NO 2 - ), and phosphate (PO 4 3- ). It may contain ionic pollutants and dissolved organic pollutants including at least one selected from the group. In particular, cations and dissolved organic contaminants such as ammonium ions in treated water may be dispersed or diffused through the anion exchange membrane by the donnan effect.

상기 오염물질은 피처리수 및 세척수에 모두 포함될 수 있고, 상기 피처리수에는 상기 세척수보다 상대적으로 고농도로 포함되는 것일 수 있다.The contaminants may be included in both the treated water and the washing water, and may be contained in the treated water at a relatively higher concentration than the washing water.

또한, 상기 탈염 방법은 상기 피처리수 또는 세척수 유래의 오염물질 내 포함된 염소 이온이 애노드측에서 염소(Cl2), 아염소산(HClO2), 차아염소산(HClO) 및 차아염소산 이온(OCl-)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질로 전환되는 단계; 및 상기 전환된 물질이 상기 피처리수 또는 세척수 유래의 오염물질을 산화 분해시키는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.In addition, in the desalination method, chlorine ions contained in contaminants derived from the treated water or washing water are converted to chlorine (Cl 2 ), chlorous acid (HClO 2 ), hypochlorous acid (HClO), and hypochlorite ions (OCl - ) Converting to at least one substance selected from the group consisting of; and allowing the converted material to oxidize and decompose contaminants derived from the treated water or washed water.

상기 산화 분해 단계에서 상기 전환된 물질은 상기 오염물질을 산화 분해시킨 이후 다시 염소 이온으로 재전환되는 것일 수 있다.In the oxidative decomposition step, the converted material may be converted back into chlorine ions after oxidizing and decomposing the contaminants.

상기 피처리수 및 세척수가 일정 방향의 순흐름을 유지함으로써 상기 피처리수 및 세척수에 포함된 오염물질이 애노드 방향으로 일정하게 이동하게 되는 결과, 음이온 교환막을 통과한 피처리수 내 염소 이온 및 세척수 내 염소 이온이 상기 애노드에서 염소, 아염소산, 차아염소산 및 차아염소산 이온과 같은 염소계 산화제로 전환된 후 피처리수 및 세척수에 포함된 염소 이온을 제외한 오염물질을 산화 분해하고 다시 염소 이온으로 전환되어 배출되는 바, 상기 염소계 산화제의 역류에 의한 음이온 교환막의 오염 및 전극의 산화를 방지하고, 음이온 교환막에 포함된 양이온성 관능기의 산화 분해를 방지할 수 있다. 또한, 음이온 교환막 표면이 연속적으로 세척되는 효과가 있어 상기 음이온 교환막 표면에서의 오염물질의 농도 구배를 최대로 유지할 수 있는 바, 염소 이온의 안정적이고 효율적인 분리가 가능하게 될 수 있다.As the treated water and the washing water maintain a net flow in a certain direction, the contaminants contained in the treated water and the washing water move consistently in the anode direction, resulting in chlorine ions in the treated water and the washing water passing through the anion exchange membrane. After the chlorine ions are converted to chlorine-based oxidants such as chlorine, chlorous acid, hypochlorous acid, and hypochlorite ions at the anode, contaminants other than chlorine ions contained in the treated water and washing water are oxidized and decomposed and converted back to chlorine ions. As it is discharged, contamination of the anion exchange membrane and oxidation of the electrode due to backflow of the chlorine-based oxidizing agent can be prevented, and oxidative decomposition of the cationic functional group contained in the anion exchange membrane can be prevented. In addition, since the surface of the anion exchange membrane is continuously cleaned, the concentration gradient of contaminants on the surface of the anion exchange membrane can be maintained to a maximum, thereby enabling stable and efficient separation of chlorine ions.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, these examples are only intended to aid understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples in any way.

<실시예 1> 층류를 이용한 탈염 장치를 이용한 탈염 효과의 확인<Example 1> Confirmation of desalination effect using a desalination device using laminar flow

도 1에 나타낸 바와 같이, 탈염 장치의 전기 분해 유닛은 Ti mesh 캐소드, 음이온 교환막, IrO2/Ti mesh 애노드로 구성하였고, 음이온 교환막으로는 1㎛의 미세 기공을 가진 음이온 교환 부직포를 사용하였다. 음이온 교환막을 중심으로 캐소드의 위치는 10cm 떨어진 곳에 위치시켰고, 애노드의 위치는 15㎝ 떨어진 곳에 위치시켰다. 캐소드와 애노드의 크기는 7㎝ x 7㎝이었다.As shown in Figure 1, the electrolysis unit of the desalination device consisted of a Ti mesh cathode, an anion exchange membrane, and an IrO 2 /Ti mesh anode, and an anion exchange nonwoven fabric with micropores of 1㎛ was used as the anion exchange membrane. The cathode was located 10 cm away from the anion exchange membrane, and the anode was located 15 cm away. The size of the cathode and anode was 7 cm x 7 cm.

캐소드측에 피처리수 공급 유로 및 피처리수 배출 유로를 설치하였고, 애노드측에 세척수 공급 유로 및 세척수 배출 유로를 설치하였으며, 10cm 직경의 원통형 관으로 이루어진 피처리수 공급 유로 및 피처리수 배출 유로로 구성된 반복단위 및 세척수 공급 유로 및 세척수 배출 유로로 구성된 반복단위를 음이온 교환막을 따라 각각 5개씩 대향되도록 설치하였다.A treated water supply channel and a treated water discharge channel were installed on the cathode side, and a washing water supply channel and a washing water discharge channel were installed on the anode side. The treated water supply channel and the treated water discharge channel consisted of a cylindrical pipe with a diameter of 10 cm. Five repeating units consisting of a repeating unit and a washing water supply channel and a washing water discharge channel were installed opposite each other along the anion exchange membrane.

피처리수와 세척수를 층류 흐름을 유지하면서 음이온 교환막의 방향으로 공급하기 위해 피처리수 공급 유로와 세척수 공급 유로에 각각 펌프를 설치하였다.In order to supply the treated water and washing water in the direction of the anion exchange membrane while maintaining a laminar flow, pumps were installed in the treated water supply channel and the washing water supply channel, respectively.

또한 연속적인 염소계 산화제의 생성 및 암모늄 이온을 비롯한 이온성 유기오염물질의 산화 분해를 수행하고 분리된 염소 이온을 연속적으로 사용하기 위해, 세척수가 음극을 통과한 이후 상기 전기 분해 유닛을 복수로 통과하면서 전기화학 반응을 거치도록 10㎝ 마다 캐소드와 애노드의 쌍을 5개 설치하였다. 추가적으로 설치된 양극과 음극 쌍 사이의 거리는 1㎝ 이었다. 음이온 교환막은 5개의 유입수 및 세척수관의 직경에 맞도록 설치하였다. In addition, in order to continuously produce a chlorine-based oxidant, oxidize and decompose ionic organic pollutants including ammonium ions, and continuously use the separated chlorine ions, the washing water passes through the electrolysis unit multiple times after passing through the cathode. Five pairs of cathodes and anodes were installed every 10 cm to undergo an electrochemical reaction. The distance between the additionally installed anode and cathode pairs was 1 cm. An anion exchange membrane was installed to fit the diameters of the five influent and wash water pipes.

탈염 장치의 캐소드측 전체 크기는 가로 150㎝, 폭 10㎝, 높이 100㎝이며, 애노드 측의 전체 크기는 가로 150㎝, 폭 10㎝, 높이 100㎝이었다.The overall size of the cathode side of the desalination device was 150 cm wide, 10 cm wide, and 100 cm high, and the overall size of the anode side was 150 cm wide, 10 cm wide, and 100 cm high.

피처리수로는 pH 8.0, COD 8,310 ppm, 암모니아 2,450 ppm 및 염분 51,200 ppm(5.12%)인 폐수를 이용하였고, 세척수는 pH 8.3, COD 840 ppm, 암모니아 880 ppm, 염분 5,300 ppm인 피처리수 처리시설에서 배출되는 유출수를 이용하였다.Wastewater with pH 8.0, COD 8,310 ppm, ammonia 2,450 ppm, and salinity 51,200 ppm (5.12%) was used as treated water, and the wash water was treated at a water treatment facility with pH 8.3, COD 840 ppm, ammonia 880 ppm, and salinity 5,300 ppm. Runoff water discharged from was used.

상기 펌프를 통해 피처리수 공급 유로 및 세척수 공급 유로에 50 L/h 유량의 피처리수 및 세척수를 공급하여 레이놀드 수를 2000 이하로 유지시켰다.The Reynolds number was maintained below 2000 by supplying treated water and washing water at a flow rate of 50 L/h to the treated water supply channel and the washing water supply channel through the pump.

한편, pH를 5~10 사이에서 운전될 수 있도록 0.1N 황산, 0.1N 수산화나트륨을 이용하여 pHI/C로 pH를 조정하였다.Meanwhile, the pH was adjusted using pHI/C using 0.1N sulfuric acid and 0.1N sodium hydroxide so that the pH could be operated between 5 and 10.

상기 탈염 장치에 전류밀도는 각각 10, 15, 20, 25, 30 mA/㎠으로 인가하여 탈염 반응을 수행하였다. 음이온 교환막 표면의 세척효과 및 농도 구배의 최적화를 확인하기 위해 상기 탈염 장치를 24시간 동안 연속 운전한 이후, 음이온 교환막 통과 전·후의 pH, COD, 암모니아, 염소 이온의 농도를 측정하여 비교하였으며, 음이온 교환막 표면을 통과하는 플럭스를 계산하여 이온교환 직후 음이온 교환막 표면의 세척 정도를 관찰하여 하기 표 1 내지 표 4에 나타내었다. 구체적으로, 표 1은 음이온 교환막 통과 전·후의 농도 비교, 표 2는 피처리수 유출 농도 및 피처리수 유입, 유출 농도의 차이(음이온 교환막을 통해 이온교환된 농도), 표 3은 세척수 유입 및 최종 유출 농도, 표 4는 24시간 경과 후 25 mA/㎠에서의 세척수에 의한 이온교환막 세척 효과에 따른 플럭스 비교를 나타낸 것이다.A desalting reaction was performed by applying a current density of 10, 15, 20, 25, and 30 mA/cm2 to the desalting device, respectively. In order to confirm the cleaning effect and optimization of the concentration gradient on the surface of the anion exchange membrane, the desalination device was operated continuously for 24 hours, and the concentrations of pH, COD, ammonia, and chlorine ions before and after passing through the anion exchange membrane were measured and compared, and the anion The flux passing through the exchange membrane surface was calculated and the degree of cleaning of the anion exchange membrane surface immediately after ion exchange was observed, and are shown in Tables 1 to 4 below. Specifically, Table 1 compares the concentration before and after passing through the anion exchange membrane, Table 2 shows the effluent concentration of the treated water and the inflow of the treated water, the difference in the effluent concentration (concentration exchanged through the anion exchange membrane), and Table 3 shows the inflow and inflow of the washing water. Final effluent concentration, Table 4 shows a comparison of flux according to the effect of washing the ion exchange membrane with washing water at 25 mA/cm2 after 24 hours.

전류밀도
(mA/㎠)
current density
(mA/㎠)
1010 1515 2020 2525 3030
음이온 교환막 통과 전(피처리수)Before passing through anion exchange membrane (water to be treated) 음이온 교환막 통과 후(피처리수+세척수)After passing through anion exchange membrane (treated water + washing water) 음이온 교환막 통과 전(피처리수)Before passing through anion exchange membrane (water to be treated) 음이온 교환막 통과 후(피처리수+세척수)After passing through anion exchange membrane (treated water + washing water) 음이온 교환막 통과 전(피처리수)Before passing through anion exchange membrane (water to be treated) 음이온 교환막 통과 후(피처리수+세척수)After passing through anion exchange membrane (treated water + washing water) 음이온 교환막 통과 전(피처리수)Before passing through anion exchange membrane (water to be treated) 음이온 교환막 통과 후(피처리수+세척수)After passing through anion exchange membrane (treated water + washing water) 음이온 교환막 통과 전(피처리수)Before passing through anion exchange membrane (water to be treated) 음이온 교환막 통과 후(피처리수+세척수)After passing through anion exchange membrane (treated water + washing water) pHpH 8.08.0 8.18.1 8.08.0 8.18.1 8.08.0 8.18.1 8.08.0 8.18.1 8.18.1 8.18.1 COD
(mg/L)
COD
(mg/L)
83008300 13201320 83108310 14501450 82108210 13601360 83108310 14201420 83508350 13301330
NH4 +
(mg/L)
NH 4+
(mg/L)
24002400 580580 24102410 675675 24102410 670670 24502450 680680 24702470 690690
Cl-
(mg/L)
Cl -
(mg/L)
5120051200 2330023300 5115051150 2450024500 5120051200 2575025750 5120051200 2742027420 5120051200 2695026950

상기 표 1에서 음이온 교환막 통과 전의 농도는 피처리수의 농도이고, 음이온 교환막 통과 후의 농도는 피처리수가 음이온 교환막을 통과하여 세척수와 혼합된 농도이다.In Table 1, the concentration before passing through the anion exchange membrane is the concentration of the treated water, and the concentration after passing through the anion exchange membrane is the concentration of the treated water passing through the anion exchange membrane and mixed with the washing water.

전류밀도
(mA/㎠)
current density
(mA/㎠)
1010 1515 2020 2525 3030
피처리수 유출 농도Treatment water effluent concentration 피처리수 유입, 유출 농도 차이Differences in concentration of treated water inflow and outflow 피처리수 유출 농도Treatment water effluent concentration 피처리수 유입, 유출 농도 차이Differences in concentration of treated water inflow and outflow 피처리수 유출 농도Treatment water effluent concentration 피처리수 유입, 유출 농도 차이Differences in concentration of treated water inflow and outflow 피처리수 유출 농도Treatment water effluent concentration 피처리수 유입, 유출 농도 차이Differences in concentration of treated water inflow and outflow 피처리수 유출 농도Treatment water effluent concentration 피처리수 유입, 유출 농도 차이Differences in concentration of treated water inflow and outflow pHpH 8.08.0 -- 8.08.0 -- 8.08.0 -- 8.08.0 -- 8.18.1 -- COD
(mg/L)
COD
(mg/L)
65006500 18101810 65106510 19801980 46204620 18901890 65206520 17901790 65106510 17901790
NH4 +
(mg/L)
NH 4+
(mg/L)
21502150 300300 19801980 470470 20002000 450450 19401940 510510 20102010 510510
Cl-
(mg/L)
Cl -
(mg/L)
98209820 4138041380 74307430 4377043770 28602860 4584045840 25002500 4870048700 25702570 4863048630

상기 표 2에서 피처리수 유출농도는 피처리수 유입수에서 음이온 교환막을 거쳐 유출되는 농도로 피처리수 유입수에서 음이온 교환막을 통해 이온교환되고 남은 잔류 농도이다.In Table 2, the effluent concentration of the treated water is the concentration that flows out from the influent treated water through the anion exchange membrane, and is the residual concentration remaining after ions are exchanged from the influent treated water through the anion exchange membrane.

전류밀도
(mA/㎠)
current density
(mA/㎠)
1010 1515 2020 2525 3030
세척수 유입 농도Washing water inlet concentration 세척수 최종 유출 농도Wash water final effluent concentration 세척수 유입 농도Washing water inlet concentration 세척수 최종 유출 농도Wash water final effluent concentration 세척수 유입 농도Washing water inlet concentration 세척수 최종 유출 농도Wash water final effluent concentration 세척수 유입 농도Washing water inlet concentration 세척수 최종 유출 농도Wash water final effluent concentration 세척수 유입 농도Washing water inlet concentration 세척수 최종 유출 농도Wash water final effluent concentration pHpH 8.38.3 7.27.2 8.38.3 7.37.3 8.38.3 7.27.2 8.38.3 6.86.8 8.38.3 6.96.9 COD
(mg/L)
COD
(mg/L)
840840 185185 845845 150150 840840 145145 840840 120120 860860 150150
NH4 +
(mg/L)
NH 4+
(mg/L)
890890 4040 900900 4545 880880 4242 890890 3232 880880 4848
Cl-
(mg/L)
Cl -
(mg/L)
53005300 2200022000 51005100 2180021800 52505250 2630026300 51505150 2710027100 52005200 2720027200

상기 표 3에서 세척수의 유출 농도는 음이온 교환막 통과 후 양극, 음극 쌍으로 이루어진 5개의 반복단위를 거쳐 산화 분해된 후의 남은 잔류 농도이다.In Table 3, the effluent concentration of the washing water is the residual concentration remaining after passing through the anion exchange membrane and oxidative decomposition through five repeating units consisting of an anode and a cathode pair.

음이온 교환막 통과 후 이론값Theoretical value after passing through anion exchange membrane 음이온 교환막 통과 후 실측값Actual value after passing through anion exchange membrane 이론값 대비 이론값과 실측값 차이(%)Difference between theoretical and actual values compared to theoretical value (%) COD 플럭스(kg/㎡·s)COD flux (kg/㎡·s) 0.160.16 0.120.12 25%25% NH4 + 플럭스(kg/㎡·s)NH 4 + flux (kg/㎡·s) 0.050.05 0.040.04 20%20% Cl- 플럭스(kg/㎡·s)Cl - Flux (kg/㎡·s) 4.314.31 4.274.27 0.9%0.9%

상기 표 4에서 음이온 교환막 통과 후 이론적인 플러스 값은 피처리수가 이온 교환된 직후 음이온 교환막을 통과하여 나타나는 이온성 오염물질의 이온교환막 표면에서의 플럭스 값이다. In Table 4 above, the theoretical positive value after passing through the anion exchange membrane is the flux value on the surface of the ion exchange membrane of ionic contaminants that appear after passing through the anion exchange membrane immediately after the water to be treated is ion exchanged.

음이온 교환막 통과 후 실측값은 세척수에 의하여 음이온 교환막이 세척되었을 때, 음이온 교환막 표면에서 이온 교환된 이온성 오염물질의 농도를 측정하여 계산된 음이온 교환막 표면에서의 플럭스 값이다.The actual measured value after passing through the anion exchange membrane is the flux value on the surface of the anion exchange membrane calculated by measuring the concentration of ionic contaminants ion exchanged on the surface of the anion exchange membrane when the anion exchange membrane was washed with washing water.

음이온 교환막 플럭스의 이론값과 실측값이 비슷할 경우, 이온 교환 후 음이온 교환막 표면이 세척되고 음이온 교환막 표면에서의 오염물질의 농도가 감소하여, 전기구배 및 농도구배에 의한 이온성 오염물질의 이온교환 속도가 저감됨이 없이 계속하여 이론값에 근접하게 이온교환되고 있음을 나타낸다.If the theoretical and actual values of the anion exchange membrane flux are similar, the anion exchange membrane surface is washed after ion exchange and the concentration of contaminants on the anion exchange membrane surface decreases, resulting in the ion exchange rate of ionic contaminants due to the electric gradient and concentration gradient. This indicates that ion exchange continues close to the theoretical value without being reduced.

<비교예 1> 난류를 이용한 탈염 장치를 이용한 탈염 효과의 확인<Comparative Example 1> Confirmation of desalination effect using a desalination device using turbulent flow

실시예 1에 따른 층류 흐름을 이용한 탈염 장치와의 탈염 효과의 대비를 위해 도 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1과 동일한 체적의 반응조를 제작하고 난류 형태의 완전혼합흐름을 이용하여 탈염 실험을 수행하였다.In order to compare the desalination effect with the desalination device using laminar flow according to Example 1, as shown in FIG. 2, a reaction tank of the same volume as Example 1 was manufactured and a desalination experiment was performed using a turbulent completely mixed flow. did.

탈염 장치의 전기 분해 유닛은 Ti mesh 캐소드, 음이온 교환막, IrO2/Ti mesh 애노드로 구성하였고, 음이온 교환막으로는 1㎛의 미세 기공을 가진 음이온 교환 부직포를 사용하였다. 음이온 교환막을 중심으로 캐소드측 및 애노드측의 반응조 크기를 같게 제작하였으며, 캐소드와 애노드의 위치는 실시예 1과 같이 이온교환막에서 각각 10cm, 15cm 떨어진 곳에 위치시켰다.The electrolysis unit of the desalination device consisted of a Ti mesh cathode, an anion exchange membrane, and an IrO 2 /Ti mesh anode, and an anion exchange nonwoven fabric with micropores of 1㎛ was used as an anion exchange membrane. The size of the reaction tank on the cathode and anode sides was manufactured to be the same around the anion exchange membrane, and the cathode and anode were positioned 10 cm and 15 cm away from the ion exchange membrane, respectively, as in Example 1.

캐소드측에 피처리수 공급 유로 및 피처리수 배출 유로를 설치하였고, 애노드측에 유입수 공급 유로 및 유입수 배출 유로를 설치하였다. 상기 피처리수 및 유입수를 공급하기 위해 피처리수 공급 유로와 유입수 공급 유로에 각각 펌프를 설치하였다.A treated water supply flow path and a treated water discharge flow path were installed on the cathode side, and an inflow water supply flow path and an inflow water discharge flow path were installed on the anode side. In order to supply the treated water and influent water, pumps were installed in the treated water supply flow path and the influent water supply flow path, respectively.

캐소드측 전체 크기는 가로 150cm, 폭 10cm, 높이 100cm이며, 애노드측의 전체 크기는 가로 150cm, 폭 10cm, 높이 100cm이었다. 음이온 교환막의 크기는 실시예 1과 같이 가로 10cm, 세로 100cm 이었으며, 캐소드 및 애노드의 크기는 가로 7cm, 세로 7cm의 전극 10개를 수직으로 직렬로 연결하였다.The overall size of the cathode side was 150 cm wide, 10 cm wide, and 100 cm high, and the overall size of the anode side was 150 cm wide, 10 cm wide, and 100 cm high. The size of the anion exchange membrane was 10 cm wide and 100 cm long as in Example 1, and the size of the cathode and anode was 7 cm wide and 7 cm long, and 10 electrodes were connected vertically in series.

실시예 1과 비교하기 위해서 캐소드측에 50L/h 유량의 피처리수 및 애노드측으로 50L/h 유량의 유입수를 유입하였으며, 상기 피처리수는 pH 8.1, COD 8,420 ppm, 암모니아 2,150 ppm, 염분 50,800 ppm(5.08%)인 폐수를 사용하였고, 애노드측에 공급되는 유입수로 피처리수 처리시설에서 배출되는 유출수를 이용하였으며, pH 8.2, COD 1020 ppm, 암모니아 1250 ppm, 염분 7,100 ppm이었다. 캐소드측 및 애노드측 반응조는 믹서로 완전혼합하였다.In order to compare with Example 1, treated water at a flow rate of 50 L/h was introduced to the cathode side and influent water at a flow rate of 50 L/h to the anode side, and the treated water had pH 8.1, COD 8,420 ppm, ammonia 2,150 ppm, and salinity 50,800 ppm. (5.08%) wastewater was used, and the effluent discharged from the treated water treatment facility was used as the influent supplied to the anode, and the pH was 8.2, COD 1020 ppm, ammonia 1250 ppm, and salinity 7,100 ppm. The cathode and anode side reaction tanks were thoroughly mixed with a mixer.

0.1N 황산, 0.1N 수산화나트륨을 이용하여 pHI/C로 pH를 조정하였다.The pH was adjusted using pHI/C using 0.1N sulfuric acid and 0.1N sodium hydroxide.

상기 탈염 장치의 전류밀도는 실시예 1과 같이 10, 15, 20, 25, 30 mA/㎠으로 인가하였으며, 음이온 교환막 표면에서의 농도구배를 확인하기 위해 24시간 연속 운전 후 음이온 교환막 표면 부근에서 음이온 교환막 통과 전 후의 pH, COD, 암모니아, 염분의 농도를 측정하여 비교하였으며, 음이온 교환막 표면을 통과하는 플럭스를 계산하여 이온교환 직후의 음이온 교환막 표면의 세척 정도를 관찰하여 하기 표 5 내지 표 8에 나타내었다. 구체적으로, 표 5는 음이온 교환막 통과 전·후의 농도 비교, 표 6은 피처리수 유출 농도 및 피처리수 유입, 유출 농도의 차이(음이온 교환막을 통해 이온교환된 농도), 표 7은 애노드측 유입수 유입 및 최종 유출 농도, 표 8은 24시간 경과 후 25 mA/㎠에서의 세척수에 의한 이온교환막 세척 효과에 따른 플럭스 비교를 나타낸 것이다.The current density of the desalination device was applied at 10, 15, 20, 25, and 30 mA/cm2 as in Example 1, and after continuous operation for 24 hours to confirm the concentration gradient on the surface of the anion exchange membrane, anions were removed near the surface of the anion exchange membrane. The concentrations of pH, COD, ammonia, and salt before and after passing through the exchange membrane were measured and compared, the flux passing through the anion exchange membrane surface was calculated, and the degree of cleaning of the anion exchange membrane surface immediately after ion exchange was observed and shown in Tables 5 to 8 below. It was. Specifically, Table 5 compares the concentration before and after passing through the anion exchange membrane, Table 6 shows the difference between the effluent concentration of the treated water, the inflow of the treated water, and the effluent concentration (concentration exchanged through the anion exchange membrane), and Table 7 shows the influent of the anode side. Inlet and final outlet concentrations, Table 8 shows a comparison of flux according to the effect of washing the ion exchange membrane with washing water at 25 mA/cm2 after 24 hours.

전류밀도
(mA/㎠)
current density
(mA/㎠)
1010 1515 2020 2525 3030
음이온 교환막 통과 전(피처리수)Before passing through anion exchange membrane (water to be treated) 음이온 교환막 통과 후(피처리수+세척수)After passing through anion exchange membrane (treated water + washing water) 음이온 교환막 통과 전(피처리수)Before passing through anion exchange membrane (water to be treated) 음이온 교환막 통과 후(피처리수+세척수)After passing through anion exchange membrane (treated water + washing water) 음이온 교환막 통과 전(피처리수)Before passing through anion exchange membrane (water to be treated) 음이온 교환막 통과 후(피처리수+세척수)After passing through anion exchange membrane (treated water + washing water) 음이온 교환막 통과 전(피처리수)Before passing through anion exchange membrane (water to be treated) 음이온 교환막 통과 후(피처리수+세척수)After passing through anion exchange membrane (treated water + washing water) 음이온 교환막 통과 전(피처리수)Before passing through anion exchange membrane (water to be treated) 음이온 교환막 통과 후(피처리수+세척수)After passing through anion exchange membrane (treated water + washing water) pHpH 8.18.1 3.03.0 8.18.1 2.82.8 8.18.1 2.12.1 8.18.1 2.2.2.2. 8.18.1 2.02.0 COD
(mg/L)
COD
(mg/L)
83108310 10901090 83408340 10101010 83208320 10801080 84208420 10401040 83008300 10801080
NH4 +
(mg/L)
NH 4+
(mg/L)
21802180 13201320 22402240 13101310 21502150 12801280 21502150 13401340 24002400 13201320
Cl-
(mg/L)
Cl -
(mg/L)
5010050100 74007400 5010050100 81008100 5040050400 78007800 5080050800 89508950 5080050800 82408240

전류밀도
(mA/㎠)
current density
(mA/㎠)
1010 1515 2020 2525 3030
피처리수 유출 농도Treatment water effluent concentration 피처리수 유입, 유출 농도 차이Differences in concentration of treated water inflow and outflow 피처리수 유출 농도Treatment water effluent concentration 피처리수 유입, 유출 농도 차이Differences in concentration of treated water inflow and outflow 피처리수 유출 농도Treatment water effluent concentration 피처리수 유입, 유출 농도 차이Differences in concentration of treated water inflow and outflow 피처리수 유출 농도Treatment water effluent concentration 피처리수 유입, 유출 농도 차이Differences in concentration of treated water inflow and outflow 피처리수 유출 농도Treatment water effluent concentration 피처리수 유입, 유출 농도 차이Differences in concentration of treated water inflow and outflow pHpH 8.18.1 -- 8.18.1 -- 8.18.1 -- 8.18.1 -- 8.18.1 -- COD
(mg/L)
COD
(mg/L)
81208120 190190 81008100 240240 82408240 8080 83208320 100100 82508250 5050
NH4 +
(mg/L)
NH 4+
(mg/L)
20402040 140140 21002100 140140 20502050 100100 20402040 110110 23102310 9090
Cl-
(mg/L)
Cl -
(mg/L)
4990049900 200200 4890048900 12001200 5010050100 300300 5070050700 100100 5072050720 8080

전류밀도
(mA/㎠)
current density
(mA/㎠)
1010 1515 2020 2525 3030
유입수 유입 농도Influent influent concentration 유입수 최종 유출 농도Influent final effluent concentration 유입수 유입 농도Influent influent concentration 유입수 최종 유출 농도Influent final effluent concentration 유입수 유입 농도Influent influent concentration 유입수 최종 유출 농도Influent final effluent concentration 유입수 유입 농도Influent influent concentration 유입수 최종 유출 농도Influent final effluent concentration 유입수 유입 농도Influent influent concentration 유입수 최종 유출 농도Influent final effluent concentration pHpH 8.28.2 3.03.0 8.28.2 2.82.8 8.18.1 2.12.1 8.18.1 2.22.2 8.18.1 2.02.0 COD
(mg/L)
COD
(mg/L)
10201020 10901090 10301030 10101010 10301030 10801080 10201020 10401040 10301030 10801080
NH4 +
(mg/L)
NH 4+
(mg/L)
12401240 13201320 12101210 13101310 12001200 12801280 13201320 13401340 12101210 13201320
Cl-
(mg/L)
Cl -
(mg/L)
70007000 74007400 72007200 81008100 71007100 78007800 71507150 89508950 71507150 82408240

음이온 교환막 통과 후 이론값Theoretical value after passing through anion exchange membrane 음이온 교환막 통과 후 실측값Actual value after passing through anion exchange membrane 이론값 대비 이론값과 실측값 차이(%)Difference between theoretical and actual values compared to theoretical value (%) COD 플럭스(kg/㎡·s)COD flux (kg/㎡·s) 0.0080.008 00 100%100% NH4 + 플럭스(kg/㎡·s)NH 4 + flux (kg/㎡·s) 0.010.01 00 100%100% Cl- 플럭스(kg/㎡·s)Cl - Flux (kg/㎡·s) 0.0080.008 00 100%100%

<결과 해석> <Interpretation of results>

1. pH1. pH

도 3을 참고하면, 실시예 1에 따른 층류 흐름을 적용한 탈염 장치를 이용하는 경우, 애노드 표면에서 생성된 염소계 산화제가 일정한 방향으로 흐르는 피처리수 및 세척수에 의해서 완벽하게 분리되어 전체 전류밀도에 걸쳐 pH 8.0 내지 8.1로 유입된 후 세척수의 최종 유출수에서 pH 6.8 내지 7.3으로 유출되어 안정적으로 운전되었다(예: 25 mA/㎠의 전류밀도에서 표 1의 음이온 교환막 통과전 피처리수는 pH는 8.0로 유입된 후 표 3의 세척수 최종 유출수에서는 pH 6.8로 유출).Referring to FIG. 3, when using the desalination device applying laminar flow according to Example 1, the chlorine-based oxidant generated on the anode surface is completely separated by the treated water and washing water flowing in a certain direction, and the pH is maintained throughout the entire current density. After flowing in at a pH of 8.0 to 8.1, the final effluent of the washing water was discharged at a pH of 6.8 to 7.3 and operated stably (e.g., at a current density of 25 mA/cm2, the treated water before passing through the anion exchange membrane in Table 1 had a pH of 8.0. After washing, the final effluent of the washing water in Table 3 discharges at pH 6.8).

비교예 1에 따른 난류형태의 완전혼합흐름 탈염 장치를 이용하는 경우, 애노드 표면에서 생성된 염소계 산화제가 유체 전체로 혼합됨에 따라 전체 전류밀도에 걸쳐 pH는 8.1로 유입된 후 pH 2.2 내지 3.0으로 유출되어 pH I/C에 연결된 0.1N NaOH를 완전히 소모한 후 지속적으로 pH가 낮아졌다(예: 25 mA/㎠의 전류밀도에서 표 5의 음이온 교환막 통과전 피처리수는 pH는 8.1로 유입된 후 표 7의 애노드측 유입수 최종 유출수에서는 pH 2.2로 유출). 즉, 음이온 교환막의 이온교환 관능기가 산화 분해되어 이온교환 기능이 완전히 상실된 것이다.When using the turbulent fully mixed flow desalination device according to Comparative Example 1, as the chlorine-based oxidant generated on the anode surface is mixed into the entire fluid, the pH flows in at 8.1 and then flows out at pH 2.2 to 3.0 across the entire current density. After completely consuming the 0.1N NaOH connected to the pH I/C, the pH continued to lower (e.g., at a current density of 25 mA/cm2, the pH of the treated water before passing through the anion exchange membrane in Table 5 was 8.1, and then in Table 7 The anode-side influent and final effluent discharged at pH 2.2). In other words, the ion exchange functional group of the anion exchange membrane is oxidized and decomposed, and the ion exchange function is completely lost.

2. 피처리수에서의 염소 이온의 분리2. Separation of chlorine ions from treated water

실시예 1에 따른 층류 흐름을 적용한 탈염 장치를 이용하는 경우, 전류밀도 10, 15, 20, 25, 30 mA/㎠에 걸쳐 염소 이온은 각각 80.8%, 85.5%, 94.4%, 95.1%, 94.9%로 분리되었다(예: 25 mA/㎠의 전류밀도에서 표 1에서의 음이온 교환막 통과전의 피처리수 유입 농도에서 51200 ppm이 염소 이온이 유입되고 표 2에서의 피처리수 유출 농도에서 2500 ppm이 유출되는 바, 95.1%의 염소 이온 분리가 가능). 해당 결과는 도 4에 나타내었다.When using the desalination device applying laminar flow according to Example 1, chlorine ions were reduced to 80.8%, 85.5%, 94.4%, 95.1%, and 94.9%, respectively, at current densities of 10, 15, 20, 25, and 30 mA/cm2. Separated (e.g., at a current density of 25 mA/cm2, 51200 ppm of chlorine ions flow in from the inflow concentration of treated water before passing through the anion exchange membrane in Table 1, and 2500 ppm flows out from the effluent concentration of treated water in Table 2. Bar, 95.1% of chlorine ions can be separated). The results are shown in Figure 4.

반면, 비교예 1에 따른 난류형태의 완전혼합흐름 탈염 장치를 이용하는 경우, 전류밀도 10, 15, 20, 25, 30 mA/㎠에 걸쳐 염소 이온은 각각 0.4%, 2.4%, 0.6%, 0.2%, 0.16%로 분리되었다(예: 25 mA/㎠의 전류밀도에서 표 5에서의 음이온 교환막 통과 전의 피처리수 유입 농도에서 50800 ppm이 염소 이온이 유입되고 표 6에서의 피처리수 유출 농도에서 50700 ppm이 유출되는 바, 0.2%의 염소 이온 분리가 가능).On the other hand, when using the turbulent fully mixed flow desalination device according to Comparative Example 1, chlorine ions were 0.4%, 2.4%, 0.6%, and 0.2%, respectively, at current densities of 10, 15, 20, 25, and 30 mA/cm2. , was separated by 0.16% (e.g., at a current density of 25 mA/㎠, 50800 ppm of chlorine ions were introduced at the inflow concentration of treated water before passing through the anion exchange membrane in Table 5, and 50700 ppm at the effluent concentration of treated water in Table 6). As ppm is leaked, 0.2% of chlorine ions can be separated).

3. 애노드측에서의 유기 오염물질의 최종 유출(COD)3. Final discharge of organic pollutants from the anode side (COD)

도 5를 참고하면, 실시예 1에 따른 층류 흐름을 적용한 탈염 장치를 이용하는 경우, 전류밀도 10, 15, 20, 25, 30 mA/㎠에 걸쳐 유기 오염물질은 각각 78%, 82.2%, 82.7%, 85.7%, 82.6%로 염소계 산화제에 의해 제거되었다(예: 표 3의 25 mA/㎠의 전류밀도에서 유입된 세척수의 COD는 840 ppm에서 애노드측 세척수의 최종 유출수에서 COD는 120ppm으로 85.7%의 유기물이 염소계 산화제에 의해 제거).Referring to Figure 5, when using the desalination device applying laminar flow according to Example 1, organic pollutants were reduced by 78%, 82.2%, and 82.7%, respectively, at current densities of 10, 15, 20, 25, and 30 mA/cm2. , 85.7% and 82.6% were removed by a chlorine-based oxidizing agent (e.g., in Table 3, at a current density of 25 mA/cm2, the COD of the inflow washing water was 840 ppm, and the COD of the final effluent of the anode-side washing water was 120 ppm, which is 85.7%. organic matter is removed by a chlorine-based oxidizing agent).

비교예 1에 따른 난류형태의 완전혼합흐름 탈염 장치를 이용하는 경우, 전류밀도 15 mA/㎠에서는 단지 1.94%의 유기 오염물질이 제거되었을 뿐이며, 전류밀도 10, 20, 25, 30 mA/㎠ 각각에서 유기 오염물질은 제거되지 않고 오히려 증가하였다(예: 표 7의 25 mA/㎠의 전류밀도에서 애노드측 유입수의 COD는 1020ppm인 반면, 애노드측 최종 유출수에서의 COD는 1040ppm인 바, 유기 오염물질이 제거되지 않음). 이는 염소계 산화제가 발생하지 않음에 따른 결과인 것으로 추측된다.When using the turbulent fully mixed flow desalination device according to Comparative Example 1, only 1.94% of organic contaminants were removed at a current density of 15 mA/cm2, and at current densities of 10, 20, 25, and 30 mA/cm2, respectively. Organic pollutants were not removed, but rather increased (e.g., at a current density of 25 mA/cm2 in Table 7, the COD of the anode-side influent was 1020ppm, while the COD of the final effluent from the anode was 1040ppm, indicating that organic pollutants were not removed). This is presumed to be the result of no chlorine-based oxidizing agent being generated.

4. 애노드측에서의 암모늄 이온의 최종 유출4. Final outflow of ammonium ions from the anode side

도 6을 참고하면, 실시예 1에 따른 층류 흐름을 적용한 탈염 장치를 이용하는 경우, 전류밀도 10, 15, 20, 25, 30 mA/㎠에 걸쳐 세척수 내의 암모늄 이온은 각각 95.5%, 95%, 95.2%, 96.4%, 94.5%가 제거되었다(예: 표 3의 25 mA/㎠의 전류밀도에서 NH4 + 890ppm이 유입되어 애노드측 최종 유출수에서 32ppm이 유출된 바, 96.4%의 NH4 +가 염소계 산화제에 의해 제거). Referring to Figure 6, when using the desalination device applying laminar flow according to Example 1, ammonium ions in the wash water were 95.5%, 95%, and 95.2%, respectively, at current densities of 10, 15, 20, 25, and 30 mA/cm2. %, 96.4%, and 94.5% were removed (e.g., at a current density of 25 mA/cm2 in Table 3, NH 4 + 890 ppm was inflow, and 32 ppm was discharged from the final effluent on the anode side, so 96.4% of NH 4 + was chlorine-based removed by oxidizing agents).

비교예 1에 따른 난류형태의 완전혼합흐름 탈염 장치를 이용하는 경우, 전류밀도 10, 15, 20, 25, 30 mA/㎠에 걸쳐 세척수 내의 암모늄 이온은 제거되지 않고 오히려 증가한 바(예: 표 7의 25 mA/㎠의 전류밀도에서 애노드측 유입수의 COD는 1320ppm이 유입되어 애노드측 최종 유출수에서 1340ppm이 유출된 바, NH4 + 제거되지 않음), 염소계 산화제가 발생하지 않음에 따른 결과인 것으로 추측된다.When using the turbulent fully mixed flow desalination device according to Comparative Example 1, ammonium ions in the wash water were not removed but rather increased at current densities of 10, 15, 20, 25, and 30 mA/cm2 (e.g., in Table 7 At a current density of 25 mA/㎠, the COD of the influent water on the anode side was 1320ppm, and 1340ppm was discharged from the final effluent water on the anode side, and NH 4 + not removed), it is presumed to be the result of the chlorine-based oxidizing agent not being generated.

5. 플럭스 이론값 및 실측값 차이 비교5. Comparison of the difference between flux theoretical and actual values

실시예 1에 따른 층류 흐름을 적용한 탈염 장치를 이용하는 경우, 전류밀도 25 mA/㎠에서의 COD 플럭스, NH4 + 플럭스, Cl 플럭스의 이론값과 대비한 이론값과 실측값의 차이는 25%, 20%, 0.9%로 24시간의 연속운전에서도 지속적인 음이온 교환막 표면의 세척 효과로 인해 이론값에 가까운 플럭스를 나타내었다.When using the desalination device applying laminar flow according to Example 1, the difference between the theoretical value and the actual measured value compared to the theoretical value of COD flux, NH 4 + flux, and Cl flux at a current density of 25 mA/cm2 is 25%, Even in continuous operation for 24 hours at 20% and 0.9%, the flux was close to the theoretical value due to the continuous cleaning effect of the anion exchange membrane surface.

반면, 비교예 1에 따른 난류형태의 완전혼합흐름 탈염 장치를 이용하는 경우, 25 mA/㎠의 전류밀도에서 COD 플럭스, NH4 + 플럭스, Cl 플럭스의 이론값과 대비한 이론값과 실측값의 차이는 100%, 100%, 100%로 24시간 연속운전에서 탈염이 불가능하였다.On the other hand, when using the turbulent fully mixed flow desalination device according to Comparative Example 1, the difference between theoretical and actual values compared to the theoretical values of COD flux, NH 4 + flux, and Cl flux at a current density of 25 mA/cm2 It was impossible to desalt in continuous operation for 24 hours at 100%, 100%, 100%.

Claims (21)

피처리수 내의 오염물질을 제거하기 위한 탈염 장치로서,
캐소드, 애노드 및 음이온 교환막을 포함하는 전기 분해 유닛;
상기 캐소드측에 위치하여서 상기 탈염 장치의 외부로부터 음이온 교환막으로의 방향으로 피처리수를 공급하는 피처리수 공급 유로;
상기 캐소드측에 위치하여서 상기 오염물질이 상기 음이온 교환막을 통과하여 상기 애노드측으로 전달되어 제거된 피처리수를 상기 탈염 장치의 외부로 배출하는 피처리수 배출 유로;
상기 애노드측에 위치하여서 상기 탈염 장치의 외부로부터 음이온 교환막으로의 방향으로 세척수를 공급하는 세척수 공급 유로; 및
상기 애노드측에 위치하여서 상기 캐소드측으로부터 상기 음이온 교환막을 통과하여 전달된 상기 오염물질을 포함하는 세척수를 상기 탈염 장치의 외부로 배출하는 세척수 배출 유로;
를 포함하고,
상기 세척수의 순흐름(net-flow)은 상기 세척수 공급 유로의 길이 방향을 따라서 선형의 흐름을 가지는 것인, 탈염 장치.
A desalting device for removing contaminants in treated water,
An electrolysis unit comprising a cathode, an anode and an anion exchange membrane;
a water supply channel located on the cathode side and supplying water to be treated from the outside of the desalination device toward the anion exchange membrane;
a treated water discharge channel located on the cathode side and discharging the treated water removed by passing the contaminants through the anion exchange membrane to the anode side to the outside of the desalination device;
a washing water supply channel located on the anode side and supplying washing water from the outside of the desalination device to the anion exchange membrane; and
a washing water discharge channel located on the anode side and discharging the washing water containing the contaminants transferred from the cathode side through the anion exchange membrane to the outside of the desalination device;
Including,
A net-flow of the washing water has a linear flow along the longitudinal direction of the washing water supply flow path.
청구항 1에 있어서,
상기 세척수의 순흐름은 상기 탈염 장치의 외부로부터 세척수 공급 유로를 따라 음이온 교환막으로의 방향으로의 선형의 흐름과, 상기 음이온 교환막과 평행한 방향의 흐름과, 상기 음이온 교환막으로부터 상기 세척수 배출 유로를 따라 상기 탈염 장치의 외부로의 방향으로의 선형의 흐름을 가지는 것인, 탈염 장치.
In claim 1,
The net flow of the washing water is a linear flow from the outside of the desalination device in the direction of the anion exchange membrane along the washing water supply passage, a flow in a direction parallel to the anion exchange membrane, and a flow in a direction parallel to the anion exchange membrane, and along the washing water discharge passage from the anion exchange membrane. A desalting device having a linear flow in a direction out of the desalting device.
청구항 2에 있어서,
상기 세척수는 레이놀드 수가 2000이하인 층류 흐름을 갖는, 탈염 장치.
In claim 2,
A desalting device wherein the washing water has a laminar flow with a Reynolds number of 2000 or less.
청구항 1에 있어서,
상기 세척수는 상기 피처리수를 폐수 처리 시설로부터 처리하여 공급되는 것인, 탈염 장치.
In claim 1,
The washing water is supplied by treating the water to be treated from a wastewater treatment facility.
청구항 1에 있어서,
상기 피처리수의 순흐름은 상기 탈염 장치의 외부로부터 피처리수 공급 유로를 따라 음이온 교환막으로의 방향으로의 선형의 흐름과, 상기 음이온 교환막과 평행한 방향의 흐름과, 상기 음이온 교환막으로부터 상기 피처리수 배출 유로를 따라 상기 탈염 장치의 외부로의 방향으로의 선형의 흐름을 가지는 것인, 탈염 장치.
In claim 1,
The net flow of the water to be treated is a linear flow from the outside of the desalination device along the water supply flow path to the anion exchange membrane, a flow in a direction parallel to the anion exchange membrane, and a flow of the water from the anion exchange membrane to the anion exchange membrane. A desalination device having a linear flow toward the outside of the desalination device along the treated water discharge flow path.
청구항 5에 있어서,
상기 피처리수는 레이놀드 수가 2000이하의 층류 흐름을 갖는, 탈염 장치.
In claim 5,
A desalination device wherein the water to be treated has a laminar flow with a Reynolds number of 2000 or less.
청구항 1에 있어서,
상기 애노드는 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 지르코늄(Zr) 및 붕소(B)가 도핑된 다이아몬드(BDD)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속 또는 합금 또는 이들의 산화물을 포함하는 것인, 탈염 장치.
In claim 1,
The anode is made of diamond (BDD) doped with iridium (Ir), ruthenium (Ru), tin (Sn), titanium (Ti), molybdenum (Mo), tantalum (Ta), zirconium (Zr), and boron (B). A desalination device comprising at least one metal or alloy or an oxide thereof selected from the group consisting of.
청구항 1에 있어서,
상기 피처리수 공급 유로 및 피처리수 배출 유로를 포함하는 반복단위 및 상기 세척수 공급 유로 및 세척수 배출 유로를 포함하는 반복단위가 상기 음이온 교환막을 사이에 두고 서로 대향하여 복수 개 배치된 것인, 탈염 장치.
In claim 1,
Desalination, wherein a plurality of repeating units including the treated water supply flow path and the treated water discharge flow path and the washing water supply flow path and the washing water discharge flow path are arranged opposite to each other with the anion exchange membrane in between. Device.
청구항 1에 있어서,
상기 세척수 배출 유로로부터 배출되는 세척수에 추가적인 전기 분해를 수행하기 위해 상기 전기 분해 유닛의 후단에 캐소드 및 애노드를 포함하는 반복단위가 복수 개 배치된 것인, 탈염 장치.
In claim 1,
A desalination device in which a plurality of repeating units including a cathode and an anode are disposed at a rear end of the electrolysis unit to perform additional electrolysis on the washing water discharged from the washing water discharge passage.
청구항 1에 있어서,
상기 음이온 교환막은 직포 또는 부직포의 지지체; 및
양이온성 관능기를 가지는 고분자 수지를 포함하는 스킨층;을 포함하는 것인, 탈염 장치.
In claim 1,
The anion exchange membrane includes a woven or non-woven support; and
A desalting device comprising a skin layer containing a polymer resin having a cationic functional group.
청구항 1에 있어서,
상기 배출되는 피처리수 내 염소 이온의 농도는 상기 공급된 피처리수 내 염소 이온 농도 대비 80% 이상 감소된 것인, 탈염 장치.
In claim 1,
A desalination device in which the concentration of chlorine ions in the discharged treated water is reduced by more than 80% compared to the chlorine ion concentration in the supplied treated water.
청구항 1에 있어서,
상기 세척수 배출부로부터 배출되는 세척수 내 화학적 산소 요구량(COD)은 상기 공급된 세척수 내 화학적 산소 요구량 대비 75% 이상 감소하는 것인, 탈염 장치.
In claim 1,
A desalination device in which the chemical oxygen demand (COD) in the washing water discharged from the washing water discharge unit is reduced by more than 75% compared to the chemical oxygen demand in the supplied washing water.
청구항 1에 있어서,
상기 전기 분해 유닛을 통과하여 세척수 배출부로부터 배출되는 세척수 내 암모늄 이온(NH4 +)의 농도는 상기 공급된 세척수 내 암모늄 이온의 농도 대비 94%이상 감소하는 것인, 탈염 장치.
In claim 1,
A desalination device in which the concentration of ammonium ions (NH 4 + ) in the wash water passing through the electrolysis unit and discharged from the wash water discharge unit is reduced by more than 94% compared to the concentration of ammonium ions in the supplied wash water.
청구항 1에 있어서,
상기 피처리수 및 세척수의 pH는 각각 독립적으로 5 내지 10인 것인, 탈염 장치.
In claim 1,
A desalination device wherein the pH of the treated water and the washing water are each independently 5 to 10.
피처리수 내의 오염물질을 제거하기 위한 탈염 방법으로서,
상기 피처리수를 피처리수 공급 유로를 통해 전기 분해 유닛의 캐소드를 거쳐서 음이온 교환막으로의 방향으로 공급하는 피처리수의 공급 단계;
상기 피처리수 내의 오염물질을 상기 음이온 교환막을 통과시켜서 애노드측으로 전달하여 제거하는 오염물질의 전달 단계;
상기 오염물질이 제거된 피처리수를 상기 음이온 교환막으로부터 상기 캐소드를 거쳐서 피처리수 배출 유로를 통해 외부로 배출하는 피처리수의 배출 단계;
세척수를 세척수 공급 유로를 통해 상기 음이온 교환막으로의 방향으로 공급하는 세척수의 공급 단계; 및
상기 음이온 교환막을 통과하여 전달된 상기 오염물질을 포함하는 세척수를 상기 애노드를 거쳐서 세척수 배출 유로를 통해 외부로 배출하는 세척수의 배출 단계;
를 포함하고,
상기 세척수의 순흐름은 상기 세척수 공급 유로의 길이 방향을 따라서 선형의 흐름을 가지는 것인, 탈염 방법.
As a desalting method for removing contaminants in treated water,
A supply step of supplying the water to be treated through a water supply channel to the anion exchange membrane through the cathode of the electrolysis unit;
A contaminant transfer step of removing contaminants in the treated water by passing them through the anion exchange membrane and transferring them to the anode side;
A discharge step of discharging the treated water from which the contaminants have been removed from the anion exchange membrane, through the cathode, and discharging the treated water to the outside through a treated water discharge passage;
A washing water supply step of supplying washing water through a washing water supply passage toward the anion exchange membrane; and
Discharging washing water containing the contaminants transferred through the anion exchange membrane through the anode and discharging the washing water to the outside through a washing water discharge passage;
Including,
A desalination method in which the net flow of the washing water has a linear flow along the longitudinal direction of the washing water supply flow path.
청구항 15에 있어서,
상기 세척수의 순흐름은 상기 탈염 장치의 외부로부터 세척수 공급 유로를 따라 음이온 교환막으로의 방향으로의 선형의 흐름과, 상기 음이온 교환막과 평행한 방향의 흐름과, 상기 음이온 교환막으로부터 상기 세척수 배출 유로를 따라 상기 탈염 장치의 외부로의 방향으로의 선형의 흐름을 가지는 것인, 탈염 방법.
In claim 15,
The net flow of the washing water is a linear flow from the outside of the desalination device in the direction of the anion exchange membrane along the washing water supply passage, a flow in a direction parallel to the anion exchange membrane, and a flow in a direction parallel to the anion exchange membrane, and along the washing water discharge passage from the anion exchange membrane. A method of desalting, having a linear flow in a direction outward of the desalting device.
청구항 15에 있어서,
상기 세척수는 레이놀드 수가 2000이하인 층류 흐름을 갖는 것인, 탈염 방법.
In claim 15,
A desalination method wherein the washing water has a laminar flow with a Reynolds number of 2000 or less.
청구항 15에 있어서,
상기 피처리수 또는 세척수 유래의 오염물질 내 포함된 염소 이온이 애노드측에서 염소(Cl2), 아염소산(HClO2), 차아염소산(HClO) 및 차아염소산 이온(OCl-)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질로 전환되는 단계; 및
상기 전환된 물질이 상기 피처리수 또는 세척수 유래의 오염물질을 산화 분해시키는 단계;
를 더 포함하는 것인, 탈염 방법.
In claim 15,
The chlorine ions contained in the contaminants derived from the treated water or washing water are selected from the group consisting of chlorine (Cl 2 ), chlorous acid (HClO 2 ), hypochlorous acid (HClO), and hypochlorite ions (OCl - ) on the anode side. Converting to at least one substance that is; and
causing the converted material to oxidize and decompose contaminants derived from the treated water or washed water;
A desalting method further comprising:
청구항 18에 있어서,
상기 산화 분해 단계에서 상기 전환된 물질은 상기 오염물질을 산화 분해시킨 이후 다시 염소 이온으로 재전환되는 것인, 탈염 방법.
In claim 18,
A desalination method in which the converted material in the oxidative decomposition step is reconverted back to chlorine ions after oxidizing and decomposing the contaminants.
청구항 15에 있어서,
상기 피처리수의 순흐름은 상기 탈염 장치의 외부로부터 피처리수 공급 유로를 따라 음이온 교환막으로의 방향으로의 선형의 흐름과, 상기 음이온 교환막과 평행한 방향의 흐름과, 상기 음이온 교환막으로부터 상기 피처리수 배출 유로를 따라 상기 탈염 장치의 외부로의 방향으로의 선형의 흐름을 가지는 것인, 탈염 방법.
In claim 15,
The net flow of the water to be treated is a linear flow from the outside of the desalination device along the water supply flow path to the anion exchange membrane, a flow in a direction parallel to the anion exchange membrane, and a flow of the water from the anion exchange membrane to the anion exchange membrane. A desalination method having a linear flow toward the outside of the desalination device along the treated water discharge flow path.
청구항 20에 있어서,
상기 피처리수는 레이놀드 수가 2000이하인 층류 흐름을 갖는 것인, 탈염 방법.
In claim 20,
A desalination method wherein the treated water has a laminar flow with a Reynolds number of 2000 or less.
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