WO2020130310A1 - 복합 축전식 탈염 전극의 제조 방법, 복합 축전식 탈염 전극 및 조립체 - Google Patents

복합 축전식 탈염 전극의 제조 방법, 복합 축전식 탈염 전극 및 조립체 Download PDF

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microporous membrane
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exchange resin
ion exchange
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강경석
손원근
김미양
이경한
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(주) 시온텍
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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a composite capacitive desalination electrode, a composite capacitive desalination electrode, and an assembly having a new structure that can increase desalination efficiency and has better mechanical and chemical resistance.
  • Capacitive deionization (CDI) electrodes with ion-exchange membrane layers have been studied by the present inventors.
  • a technology for forming an ion exchange membrane layer by coating a slurry containing ion exchange resin powder or the like on a carbon electrode layer (active layer) This is known.
  • Patent Document 0001 Korean Registered Patent Publication No. 10-1410642 (Announcement date 2014.06.17.)
  • the present invention has been devised to solve the problems as described above, and the purpose of a method for manufacturing a composite capacitive desalination electrode according to the present invention, a composite capacitive desalination electrode, and an assembly is a composite storage of a new structure having high desalination efficiency. It is to provide a method for manufacturing a desalination electrode, and a composite capacitor desalination electrode and an assembly.
  • another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a composite capacitive desalination electrode having excellent mechanical properties and chemical resistance, such as bending strength, warpage resistance, elasticity, and impact strength, and a composite capacitive desalination electrode and assembly.
  • Another object of the present invention is to provide a smaller volume capacitive desalination device stacked with fewer capacitive desalination electrodes as the capacitive desalination electrode has a high desalination efficiency per unit volume.
  • Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a new composite capacitive desalination electrode using an in-line lamination process of a composite capacitive desalination electrode having a new structure, a method for assembling after batch production, while providing a composite capacitive desalination electrode and assembly.
  • it is to provide a composite capacitive desalination electrode and assembly through other production methods such as pre-production and post-assembly (or combination).
  • Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a more environmentally friendly composite capacitive desalination electrode, a composite capacitive desalination electrode, and an assembly in which the content of the organic solvent used in the production of the ion exchange resin layer can be significantly reduced.
  • Another object of the present invention is a method for manufacturing a composite capacitive desalination electrode, which is advantageous for commercialization and mass-production, and has excellent economic efficiency, as a low cost microporous membrane can be used, and a composite capacitive desalination electrode and assembly. Is to provide.
  • a method of manufacturing a composite capacitive desalination electrode according to the present invention for solving the above-described problems includes: a) forming an ion exchange resin layer on the surface of the microporous membrane to produce a composite microporous membrane; And on both sides of the electrode sheet, b) forming the composite microporous membrane prepared in step a) to produce a first unit comprising the composite microporous membrane and the electrode sheet.
  • c) is performed after the step b), forming the first unit on one surface of the spacer; And d) forming another first unit prepared through steps a) and b) on the other surface of the spacer.
  • a method of manufacturing a composite capacitive desalination assembly comprises: a) forming an ion exchange resin layer on the surface of a microporous membrane to produce a composite microporous membrane, b) the composite prepared in step a) And forming a microporous membrane on one surface of the spacer to form a second unit body including the composite microporous membrane and the spacer, and c) forming an electrode sheet on one surface of the second unit body.
  • step a) is characterized in that the first and second surfaces of the microporous membrane are manufactured with the same or different types of the first composite microporous membrane and the second composite microporous membrane.
  • step b) is characterized in that the composite microporous membrane prepared and drawn in step a) is laminated and compressed on one surface of the electrode sheet to produce the first unit.
  • step b) is characterized in that the second unit is manufactured by laminating and compressing the composite microporous membrane prepared and drawn in step a) on one surface of the spacer.
  • step a) is characterized in that the microporous membrane introduced from the microporous membrane winding roll is impregnated with an ion exchange resin solution in an ion exchange resin dissolution tank to produce the composite microporous membrane.
  • the electrode sheet includes a carbon electrode layer formed on one side or both sides of the current collector and the current collector, and is characterized in that the composite microporous membrane is laminated and compressed on the carbon electrode layer.
  • the ion exchange resin of the ion exchange resin layer formed on both sides of the microporous membrane penetrates into the pores of the microporous membrane, and the ion exchange resin layers on both sides of the microporous membrane are connected to each other through the pores. It is characterized by being.
  • step e) is performed after the step a), characterized in that it further comprises a drying step of drying the product prepared in the previous step.
  • microporous membrane is characterized in that it is a polyolefin-based, cellulose-based or organic-inorganic hybrid-based microporous membrane.
  • polyolefin-based high-density polyethylene linear low-density polyethylene, low-density polyethylene, ultra-high molecular weight polyethylene or polypropylene, or is characterized in that it comprises two or more selected from their derivatives.
  • the microporous membrane has a thickness of 1 to 500um
  • the microporous membrane has a porosity of 10 to 95, a pore size of 0.01 to 50um, and is characterized in that it is in the form of a fiber or membrane.
  • the composite capacitive desalination electrode according to the present invention includes an electrode sheet; And a composite microporous membrane formed on both sides of the electrode sheet, wherein the composite microporous membrane includes a microporous membrane, a first ion exchange resin layer and a second ion exchange resin layer formed on both sides of the microporous membrane, respectively. It is characterized by.
  • first ion exchange resin layer and the second ion exchange resin layer are characterized in that they are the same or different from each other.
  • the electrode sheet and the plurality of first unit bodies made of the composite microporous membrane are alternately stacked, and the composite capacitive desalting electrode is located between the first unit bodies, and is characterized in that it further comprises a spacer formed with a flow path.
  • Composite capacitive desalination assembly is a spacer having a flow path; And a composite microporous membrane formed on one surface of the spacer, wherein the composite microporous membrane includes a microporous membrane, a first ion exchange resin layer and a second ion exchange resin layer formed on both sides of the microporous membrane, respectively.
  • the composite capacitive desalination electrode and assembly according to the present invention as described above has an effect of having a high desalination efficiency, and has excellent mechanical properties and chemical resistance such as bending strength, warpage resistance, elasticity, and impact strength.
  • the desalination electrode has a high desalination efficiency per unit volume, it can be stacked with a smaller number of capacitive desalination electrodes, and has a smaller volume effect.
  • the method of manufacturing a capacitive desalination electrode according to the present invention can significantly reduce the content of the organic solvent used in the production of the ion exchange resin layer, has a more environmentally friendly advantage, and has a desalting efficiency even though an inexpensive microporous membrane is used.
  • it can be significantly improved, it is advantageous for commercialization and mass-production and has excellent economic efficiency, and the process is not complicated by a single process using an in-line lamination process, and is easy to maintain, maintain, and operate, and the reproducibility of the manufactured product It has an excellent effect.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a composite capacitive desalination electrode according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a partially enlarged view of FIG. 1.
  • Figure 3 is a cross-sectional view of a composite capacitor desalination electrode according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining a method of configuring a composite capacitor desalination electrode according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a schematic cross-sectional view illustrating another configuration method of the composite capacitor desalination electrode according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a monopolar composite capacitor desalination device using a composite capacitor desalination electrode according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a bipolar composite capacitive desalination device using a composite capacitive desalination electrode according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic view of some processes of a method for manufacturing a composite capacitive desalination electrode according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 schematically shows a composite capacitive desalination electrode according to a first embodiment of the present invention.
  • the composite capacitive desalination electrode according to the first embodiment of the present invention may include an electrode sheet 110 and a composite microporous membrane 120, and for convenience, the electrode sheet 110 and the composite pusher
  • the composite capacitive desalination electrode including the sclera 120 is referred to as a first unit 10.
  • the electrode sheet 110 is a part that is connected to a power source and serves as an electrode. As shown in FIG. 1, the electrode sheet 110 may include a current collector 111 and a carbon electrode layer 112.
  • the current collector 111 shown in FIG. 1 serves as an electrode at the same time as a support for forming the carbon electrode layer 112.
  • the reason why the current collector 111 is used is to compensate for the durability of the carbon material when the electrode sheet 110 is formed using only the carbon electrode layer 112, and thus the durability may be weak.
  • the current collector 111 may be a conductive material capable of uniformly distributing the electric field across the current collector 111 when current is applied, and examples of materials constituting the current collector 111 include aluminum, nickel, and copper. , Titanium, iron, stainless steel and graphite. However, since it may be configured to include various known materials, the present invention is not limited thereto, and various documents may be referred to. In addition, since the current collector may have various shapes such as a plate shape, a network shape, a tapered shape, and a fiber shape, it is needless to say that the shape is not limited.
  • the carbon electrode layer 112 is for improving the adsorption/desorption efficiency of ions, and any material may be used as long as it is a carbon-based electrode.
  • the carbon electrode layer 112 may include any one or two or more carbon-based materials selected from activated carbon particles, carbon fibers, carbon nanotubes, and graphite particles.
  • the carbon electrode layer 112 may further include a durability/weatherability-enhancing material, which is a material capable of improving desalination efficiency as a carbon electrode.
  • a durability/weatherability-enhancing material which is a material capable of improving desalination efficiency as a carbon electrode.
  • the carbon electrode layer 112 may be prepared by applying a slurry containing a carbon-based material, a binder, and an organic solvent in a film form and drying the slurry.
  • an electrode active material or the like may be further added to the slurry to increase specific surface area and capacity.
  • this is only described as a specific example, and various materials may be further added.
  • the composite microporous membrane 120 may be formed on each side of the electrode sheet 110 one by one, and the single composite microporous membrane 120 may include a microporous membrane 121 and an ion exchange resin layer ( 122).
  • the microporous membrane 121 refers to a thin film having pores formed therein, and the composite microporous membrane 120 forms an ion exchange resin layer 122 on both sides of the microporous membrane 121, thereby providing bending strength, warping resistance, impact resistance, and elasticity. Mechanical properties and chemical resistance of the back may be improved.
  • the microporous membrane 121 may be a polymer microporous membrane typified by a polyolefin-based membrane, and may be a high-density polyethylene, linear low-density polyethylene, low-density polyethylene, ultra-high molecular weight polyethylene, or polypropylene in more detail, or a microporous membrane comprising two or more selected from derivatives thereof Can be
  • the present invention is not limited to the material of the microporous membrane 121 as described above, and a cellulose system may be used, and the raw material of an inorganic material is mixed with the polymer for the purpose of reinforcing durability or other purposes of the microporous membrane 121 It may be an organic-inorganic hybrid system.
  • the microporous membrane 121 may have a thickness of 1 to 500um, and as a preferred example, the microporous membrane 121 may have a thickness of 5 to 30um in order to sufficiently have mechanical properties such as bending characteristics and impact strength.
  • the ion exchange resin layer 122 refers to a layer coated with an ion exchange resin that operates as described above to purify the fluid to be purified by adsorbing anions or cations when the fluid to be treated passes,
  • An ion exchange resin is an insoluble synthetic resin capable of ion exchange.
  • the ion exchange resin may be divided into a cation exchange resin and an anion exchange resin, and the ion exchange resin layer 122 formed on both sides of a single microporous membrane 121 may be one of a cation exchange resin and an anion exchange resin.
  • the ion exchange resin layer 122 means a cation exchange resin layer (cation exchange membrane) or an anion exchange resin layer (anion exchange membrane).
  • the cation exchange resin layer may be formed as long as it includes a material that selectively adsorbs cations among cations and anions
  • the anion exchange resin layer may be formed as long as it contains materials that selectively adsorb anions among cations and anions.
  • the ion exchange resin layer is prepared by dissolving a polymer resin having a cation exchange group or an anion exchange group in an organic solvent, that is, an ion exchange resin solution containing the polymer resin and an organic solvent to be prepared through the aforementioned method. Can.
  • polymer resin having a cation exchange group sulfonic acid group (-SO3H), carboxyl group (-COOH), phosphonic group (-PO3H2), phosphinic group (-HPO2H), asonic group (-AsO3H2), selinonic group
  • polymer resin having an anion exchange group quaternary ammonium salt (-NH3), primary to tertiary amine (-NH2, -NHR, -NR2), quaternary phosphonium group (-PR4), tertiary sulfonium group ( And polymer resins having a functional group containing any one or two or more selected from -SR3).
  • quaternary ammonium salt -NH3
  • -NH2, -NHR, -NR2 primary to tertiary amine
  • -PR4 quaternary phosphonium group
  • tertiary sulfonium group tertiary sulfonium group
  • exchange resins of the same type may be formed on both sides of a single microporous membrane 121, but the composite microporous membranes 120 formed on both sides of the electrode sheet 110 exchange ions of the same type, or Other types of ions can be exchanged, and accordingly, the present invention can be used as a bipolar composite capacitive desalination electrode or a monopolar composite capacitive desalination electrode. This will be described later.
  • the ion exchange resin layers 122 formed on both sides of the single microporous membrane 121 may be connected to each other by penetrating the ion exchange resins forming the pores of the microporous membrane 121.
  • FIG. 2 is an enlarged view of part A of FIG. 1.
  • the permeated ion exchange resin layer 122s has less penetration than the conventional method of directly coating the surface of the carbon electrode layer 112 in the form of a slurry, and the ion exchange resin solution has a carbon electrode layer ( Since the pores of 112) are not blocked, trapping of ions occurs more easily during the operation of the present invention, and thus desalination performance is excellent.
  • the above-described permeated ion exchange resin layer 122s will be described in more detail when explaining a method of manufacturing a composite capacitive desalination electrode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 shows a composite capacitive desalination electrode according to a second embodiment of the present invention.
  • a plurality of the first unit units 10 described above are disposed, and spacers 200 are disposed between the plurality of first unit units 10. ) Is located, the first unit 10 and the spacer 200 may be joined.
  • first unit 10 and the spacer 200 are bonded together, since the layer forming the outermost portion of the first unit 10 is the ion exchange resin layer 122, a bonding method through appropriate heat treatment and pressurization may be used. Can.
  • the spacer 200 allows the different first unit bodies 10 to be coupled in a spaced apart state, and at the same time, the object to be purified may be introduced into the flow path formed by the passage formed therein. That is, the spacer 200 has a flow path formed therein in the same shape as the lattice frame structure, and the fluid moves from one side to the other side of the spacer 200 (from the top to the bottom or from the bottom to the top based on FIG. 3 ), the spacer (200) can be purified through ion exchange with the composite microporous membrane 120 on both sides.
  • Figure 4 schematically shows a method of expanding the composite capacitive desalination electrode according to the second embodiment of the present invention.
  • the composite capacitive desalination electrode according to the second embodiment of the present invention can be expanded by repeatedly stacking the first unit 10 and the spacer 200.
  • FIG. 5 schematically shows a method of expanding the composite capacitive desalination electrode according to the second embodiment of the present invention in a method different from the method illustrated in FIG. 4.
  • the composite capacitive desalination electrode according to the second embodiment of the present invention can be expanded by repeatedly stacking the second unit 20 and the electrode sheet 110.
  • the second unit 20 is a composite capacitive desalination assembly in which the composite microporous membranes 120 are formed on both sides of the spacer 200 among the above-described configurations of the present invention.
  • the second unit 20 shown in FIG. 5 alone does not serve as a composite capacitor desalination electrode, but the second unit 20 and the electrode sheet 110 are stacked and combined to serve as a desalination electrode. Since the second unit 20 and the electrode sheet 110 are first formed, stacking and bonding are performed, thereby making it easy to manufacture.
  • the spacer 200 included in the second unit 20 is formed by forming a composite microporous membrane 120 having ion exchange resin layers 122 formed on both sides, and then the electrode sheet 110 and the second unit 20 are stacked. Since the penetration ion exchange resin layer 122s described with reference to FIG. 2 may be formed less, the pores of the carbon electrode layer 112 of the electrode sheet 110 are blocked to have less effect of desalination efficiency. have.
  • the bonding of the second unit 20 and the carbon electrode layer 112 may be performed in the same manner as the bonding method of the first unit 10 and the spacer 200.
  • the composite microporous membranes 120 formed on both sides of the spacer 200 may be the same or different, and there may be a second unit 20 in which the composite microporous membrane 120 is formed on only one surface of the spacer 200. have.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a monopolar composite capacitor desalination apparatus using a composite capacitor desalination electrode according to a second embodiment of the present invention.
  • the monopolar composite capacitive desalination device using the composite capacitive desalination electrode according to the second embodiment of the present invention is a composite formed on both sides of the electrode sheet 110 in a single first unit.
  • the composite microporous membrane formed on both sides of the electrode sheet 110 in a single first unit like the cation first unit 10a in which the ion exchange resin layer 122 of the microporous membrane 120 is formed of a cation ion exchange resin
  • the ion exchange resin layer 122 of 120 may have a structure in which an anion first unit 10b formed of an anion ion exchange resin is alternately stacked.
  • the monopolar composite capacitive desalination device is stacked in the order of a cationic first unit (10a), a spacer (200), an anionic first unit (10b), and a spacer (200), and the cationic first
  • the unit bodies 10a may be connected to the positive pole of the power supply 30 in parallel, and the anion first unit bodies 10b may be used to be connected to the negative pole of the power supply 30 in parallel.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a bipolar composite capacitive desalination device using a composite capacitive desalination electrode according to a second embodiment of the present invention.
  • the bipolar composite capacitive desalination device using the composite capacitive desalination electrode according to the second embodiment of the present invention is a composite pusher formed on both sides of the electrode sheet 110 in a single first unit.
  • the ion exchange resin layer 122 of the sclera 120 may be a bipolar first unit 10c formed of exchange ions of different ions.
  • the bipolar first unit 10c may be formed of an anion ion exchange resin layer on the left side of the electrode sheet 110 and a cation ion exchange resin layer on the right side, and a monopolar composite as illustrated in FIG. 7.
  • a plurality of bipolar first unit bodies 10c of the same type may be connected in series, and positive and negative poles of the power source 30 may be connected to each of the bipolar first unit bodies 10c formed on the outermost side. .
  • Figure 8 shows a part of the manufacturing process of the composite capacitor desalination electrode according to the first embodiment of the present invention.
  • the method for manufacturing the composite capacitive desalination electrode according to the first embodiment of the present invention may include a) step, b) step, c) step, and d) step.
  • Step a) is a step of manufacturing the composite microporous membrane 120 by forming the ion exchange resin layer 122 on the surface of the microporous membrane 121.
  • step a) there are various methods for forming the composite microporous membrane 120 by forming the ion exchange resin layer 122 on the surface of the microporous membrane 121, but in this embodiment, as shown in FIG. Likewise, a method of impregnating the microporous membrane 121 with the ion exchange resin dissolution tank 50 in which the ion exchange resin solution 51 is accommodated is used.
  • the step a) described above with reference to FIG. 8 will be described in more detail.
  • the microporous membrane 121 is released while the microporous membrane 121 is wound, and the microporous membrane 121 is wound while the first microporous membrane winding roll 41 is rotated.
  • step a) in the same manner as the first composite microporous membrane 120a, the second composite using the second microporous membrane winding roll 42 and the ion exchange resin dissolution tank 50 containing the second ion exchange resin solution 51 is accommodated.
  • the microporous membrane 120b can be manufactured.
  • the first composite microporous membrane 120a and the second composite microporous membrane 120b adsorb the same type of ions to each other or the same or different types of ion exchange resin layers 122 to adsorb different kinds of ions. It can be formed.
  • Step b) is a step of forming the first composite microporous membrane 120a and the second composite microporous membrane 120b on both sides of the electrode sheet 110, respectively, to prepare the first unit 10, as shown in FIG. 8.
  • first composite microporous membrane 120a by using the squeeze roll 70 on one surface of the electrode sheet 110 that is released from the electrode sheet winding roll 40 as shown, another squeeze roll 70 is formed.
  • the second composite microporous film 120b may be formed on the other surface of the electrode sheet 110 to form the first unit 10.
  • the microporous membrane 121 is impregnated in the ion exchange resin dissolution tank 50, and the ion exchange resin layer 122 is formed on the surface of the microporous membrane 121 to form the composite microporous membrane 120 ) Is formed, and the composite microporous membrane 120 is pressed onto the surface of the electrode sheet 110 using the squeeze roll 70, so that the ion exchange resin layer 122 can be maintained at a constant thickness, and the ion exchange resin solution and There is an effect that the amount of the organic solvent is significantly reduced.
  • the ion exchange resin solution is directly coated in a slurry form on the carbon electrode layer 112 of the electrode sheet 110 to form an ion exchange resin layer, so that the ion exchange resin solution diffuses deeply into the carbon electrode layer 112.
  • the ion exchange resin solution was deeply penetrated into the carbon electrode layer by first forming the composite microporous membrane 120 and then bonding it to the electrode sheet 110. It can be prevented from spreading.
  • the electrode sheet 110 used in step b) includes a current collector 111 and a carbon electrode layer 112 formed on both sides of the current collector 111 as shown in FIG. 1, the squeeze roll in step b)
  • the composite microporous membrane 121 is pressed onto the carbon electrode layer 112 on the surface of the electrode sheet 110 by (70), and a structure as shown in FIG. 2 may appear.
  • a plurality of guide rolls 70 may be used to transport the electrode sheet 110 or the microporous membrane 121 in steps a) and b).
  • the first unit 10 finally manufactured through the step b) may be wound around the electrode winding roll 90, and may be cut to a desired length after step b).
  • Step c) is performed after step b), and is a step of forming the first unit 10 on one surface of the spacer 200. Since the ion exchange resin layer 122 formed on the outermost portion of the first unit 10 has an adhesive force of a resin material, after the spacer 200 and the first unit 10 are pressed, a post-treatment such as heat treatment is used. The spacer 200 and the first unit 10 are bonded.
  • step d) another first unit 10 produced through steps a) and b) is formed on the other surface of the spacer 200, that is, on the other surface, by the same or different method as step c).
  • the above-described process is a method of manufacturing a composite capacitive desalination electrode by combining the first unit 10 and the spacer 200 shown in FIG. 4.
  • the method of manufacturing the composite capacitive desalination electrode according to the second embodiment of the present invention may include a) step, b) step, and c) step.
  • Step a) is a step of forming a complex microporous membrane by forming an ion exchange resin layer on the surface of the microporous membrane, the first microporous membrane winding roll 41, the second microporous membrane winding roll 42 shown in FIG. 8, and It may be the same as the step of manufacturing a composite microporous membrane using the ion exchange resin dissolution tank (50).
  • Step b) is a step of forming the composite microporous membrane prepared in step a) on one surface of the spacer, thereby forming a second unit body including the composite microporous membrane and the spacer.
  • the second unit formed in step b) may have a composite microporous membrane formed on one side of the spacer or a composite microporous membrane formed on both sides of the spacer.
  • the second unit may be formed through pressure or heat treatment.
  • Step c) is a step of forming an electrode sheet on one surface of the second unit manufactured in step b), and the second unit and the electrode sheet may be laminated through a predetermined heat treatment or pressurization.
  • step e) drying of the product may be achieved through various methods.
  • the drying device 80 shown in FIG. 8 is an example, and the drying device 80 may be a device such as a hot air dryer or an ultraviolet/infrared lamp.
  • the method of manufacturing the composite capacitive desalination electrode according to the first and second embodiments of the present invention described above is performed through a continuous process line in an in-line manner, so that productivity is high, mass production is possible, and the process is simplified. It is not complicated and has advantages such as easy installation, maintenance, and repair.
  • the present invention is not limited to a method for manufacturing a desalting electrode in an in-line continuous process line, and a method of assembling (or combining) the remaining parts after manufacturing a part of the desalting electrode in advance may be used.
  • the microporous membrane 121 used in step a) may be a polyolefin-based microporous membrane, and in more detail, high density polyethylene, linear low density polyethylene , Low-density polyethylene, ultra-high molecular weight polyethylene or polypropylene, or a microporous membrane comprising two or more selected from derivatives thereof.
  • the microporous membrane 121 may have a thickness of 1 to 500um, and as a preferred example, the microporous membrane 121 may have a thickness of 5 to 30um in order to sufficiently have mechanical properties such as bending characteristics and impact strength.
  • the composite microporous membrane 120 is formed of the ion exchange resin layer 122 formed on both sides of the microporous membrane 121.
  • the ion exchange resin may penetrate into the pores of the microporous membrane 121 and be connected to each other.
  • the microporous membrane may have a porosity of 10 to 95%, and may be a continuous microporous membrane having a relatively large total pore volume, and the microporous membrane is combined with an electrode sheet, such as bending properties, elasticity, strength, impact resistance, etc. Mechanical properties are improved. Therefore, even after the electrode is manufactured, it is excellent in resistance to external shock or distortion, and has an effect of having excellent mechanical properties in impact strength and elasticity.
  • the microporous membrane can be mainly used as a polyolefin-based resin, chemical durability is also excellent, so that damage due to chemical properties due to contact with a desalination solution such as an acid or base is not caused, so long-term use is possible. There are also advantages.
  • the capacitive desalination electrode according to the present invention has an effect of maintaining excellent desalination performance in addition to excellent mechanical properties and chemical properties, low cost, and long-term use even though the thickness may be thin.
  • the pore size (diameter) of the microporous membrane may be preferably from 0.01 to 50 ⁇ m, but it is of course not necessarily interpreted as being limited thereto.
  • the microporous membrane may have various forms such as a fiber or membrane.
  • first unit 10a cation first unit
  • drying device 90 electrode winding roll
  • microporous membrane 122 ion exchange resin layer

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Abstract

본 발명은 탈염효율을 증가시킬 수 있고, 기계적 및 화학적 저항성이 더욱 우수한 새로운 구조를 가지는 복합 축전식 탈염 전극의 제조 방법, 복합 축전식 탈염 전극 및 조립체에 관한 것으로 본 발명에 의한 복합 축전식 탈염 전극의 제조방법은 a) 미다공막의 표면에 이온교환수지층을 형성하여 복합 미다공막을 제조하는 단계 및 전극시트의 양면에 b) 상기 a) 단계에서 제조된 상기 복합 미다공막을 형성해 상기 복합 미다공막 및 상기 전극시트를 포함하는 제1단위체를 제조하는 단계를 포함하며, 상기 단계들은 in-line 연속 공정에 의해 단일 공정 라인에서 수행되는 것을 특징으로 한다.

Description

복합 축전식 탈염 전극의 제조 방법, 복합 축전식 탈염 전극 및 조립체
본 발명은 탈염효율을 증가시킬 수 있고, 기계적 및 화학적 저항성이 더욱 우수한 새로운 구조를 가지는 복합 축전식 탈염 전극의 제조 방법, 복합 축전식 탈염 전극 및 조립체에 관한 것이다.
이온교환막층을 가지는 축전식 탈염(Capacitive deionization, CDI)전극은 본 발명자들이 많은 연구를 진행하였다. 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1410642호(공고일 2014.06.17.) 등의 특허에서는 탄소전극층(활성층) 상에 이온교환수지 분말 등을 함유하는 슬러리를 코팅하여 이온교환막층을 형성하는 기술이 공지되어 있다.
그러나 상기 특허에서, 전극시트의 탄소전극층에 상기 슬러리를 코팅하는 경우, 슬러리 내 바인더 등이 탄소전극층의 기공에 침투하여 기공을 감소시킴으로써, 탈염되는 이온의 효율을 저하시키는 것은 물론, 공정 과정에서 슬러리 제조에 사용되는 유기용매가 과량으로 사용됨에 따라 환경 친화적이지 못한 단점이 있다.
또한 탄소전극층에 이온교환막층이 형성된 상태에서도, 여전히 휨 특성, 강도 등의 기계적 물성 및 화학적 물성이 열세여서 파손이나 탈리 등의 문제점이 있고, 탈염이 필요한 유체의 특성에 따라 수명이 단축되는 문제가 있었다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 0001) 한국 등록특허공보 제10-1410642호(공고일 2014.06.17.)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명에 의한 복합 축전식 탈염 전극의 제조 방법, 복합 축전식 탈염 전극 및 조립체의 목적은 높은 탈염 효율을 가지는 새로운 구조의 복합 축전식 탈염 전극의 제조 방법, 복합 축전식 탈염 전극 및 조립체를 제공함에 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은, 휨 강도, 뒤틀림 저항성, 탄성, 충격 강도 등의 기계적 물성 및 화학적 내성이 우수한 복합 축전식 탈염 전극의 제조 방법, 복합 축전식 탈염 전극 및 조립체를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 축전식 탈염 전극이 단위 부피당 높은 탈염 효율을 가짐에 따라 보다 적은 수의 축전식 탈염 전극들로 적층된 보다 부피가 작은 축전식 탈염 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 새로운 구조를 가지는 복합 축전식 탈염 전극의 in-Line 적층 공정을 이용한 새로운 복합 축전식 탈염 전극의 제조 방법, 복합 축전식 탈염 전극 및 조립체을 제공함과 동시에, batch 생산 후 조립하는 방식과 같이, 선 생산, 후 조립(또는 결합)과 같은 다른 생산 방식을 통한 복합 축전식 탈염 전극 및 조립체를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 이온교환수지층의 제조에 사용되는 유기용매의 사용 함량은 현저히 감소시킬 수 있고, 보다 친환경적인 복합 축전식 탈염 전극의 제조 방법, 복합 축전식 탈염 전극 및 조립체을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 가격이 저렴한 미다공막이 사용됨에도 탈염 효율이 현저히 향상될 수 있음에 따라 상업화 및 대량화에 유리하고 경제성이 우수한 복합 축전식 탈염 전극의 제조 방법, 복합 축전식 탈염 전극 및 조립체를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 복합 축전식 탈염 전극의 제조 방법은, a) 미다공막의 표면에 이온교환수지층을 형성하여 복합 미다공막을 제조하는 단계; 및 전극시트의 양면에 b) 상기 a) 단계에서 제조된 상기 복합 미다공막을 형성해 상기 복합 미다공막 및 상기 전극시트를 포함하는 제1단위체를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, c) 상기 b) 단계 이후에 수행되며, 스페이서의 일면에 상기 제1단위체를 형성하는 단계; 및 d) 상기 a) 및 b) 단계를 통해 제조된 또 다른 제1단위체를 상기 스페이서의 타면에 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 복합 축전식 탈염 조립체의 제조방법은 a) 미다공막의 표면에 이온교환수지층을 형성하여 복합 미다공막을 제조하는 단계, b) 상기 a) 단계에서 제조된 상기 복합 미다공막을 스페이서의 일면에 형성해 상기 복합 미다공막 및 상기 스페이서를 포함하는 제2단위체를 형성하는 단계 및 c) 상기 제2단위체의 일면에 전극시트를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 a) 단계는 상기 미다공막의 일면 및 타면 각각에 서로 동일하거나 다른 종류의 제1복합 미다공막 및 제2복합 미다공막을 제조하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 b) 단계는 상기 전극시트의 일면에 상기 a) 단계에서 제조 및 인입되는 상기 복합 미다공막을 적층 및 압착하여 상기 제1단위체를 제조하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 b) 단계는 상기 스페이서의 일면에 상기 a) 단계에서 제조 및 인입되는 상기 복합 미다공막을 적층 및 압착하여 상기 제2단위체를 제조하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 a) 단계는 미다공막 권취롤로부터 인입되는 미다공막을 이온교환수지 용해조 내의 이온교환수지 용액에 함침시켜 상기 복합 미다공막을 제조하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전극시트는 집천체 및 상기 집전체의 일면 또는 양면에 형성되는 탄소전극층을 포함하며, 상기 탄소전극층 상에 상기 복합 미다공막이 적층 및 압착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복합 미다공막은 상기 미다공막의 양면에 형성되는 상기 이온교환수지층의 이온 교환수지가 상기 미다공막의 기공으로 침투하여, 상기 기공을 통해 상기 미다공막 양면의 이온교환수지층들은 서로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, e) 상기 a) 단계 이후에 수행되되, 이전 단계에서 제조된 제조물을 건조하는 건조단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미다공막은 폴리올레핀계, 셀룰로스계 또는 유무기 하이브리계 미다공막인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 폴리올레핀계는 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌이거나, 이들의 유도체 중에서 선택되는 둘 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미다공막은 두께가 1 내지 500um이며, 상기 미다공막은 기공도가 10 내지 95이고, 기공 크기가 0.01 내지 50um이며, 섬유 또는 막 형태인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 복합 축전식 탈염 전극은 전극시트; 및 상기 전극시트의 양면에 각각 형성되는 복합 미다공막;을 포함하되, 상기 복합 미다공막은 미다공막, 상기 미다공막의 양면에 각각 형성된 제1이온교환수지층 및 제2이온교환수지층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1이온교환수지층 및 상기 제2이온교환수지층은 서로 동일하거나 다른 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전극시트 및 상기 복합 미다공막으로 이루어지는 제1단위체 복수개가 교번 적층되며, 상기 복합 축전식 탈염 전극은 상기 제1단위체 사이에 위치하며, 유로가 형성된 스페이서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 복합 축전식 탈염 조립체는 유로가 형성된 스페이서; 및 상기 스페이서의 일면에 형성되는 복합 미다공막;을 포함하되, 상기 복합 미다공막은 미다공막, 상기 미다공막의 양면에 각각 형성된 제1이온교환수지층 및 제2이온교환수지층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의한 복합 축전식 탈염 전극 및 조립체는 높은 탈염 효율을 가지는 효과가 있고, 휨 강도, 뒤틀림 저항성, 탄성, 충격강도 등의 기계적 물성 및 화학적 내성이 우수한 효과가 있으며, 축전식 탈염 전극이 단위 부피당 높은 탈염 효율을 가짐에 따라 보다 적은 수의 축전식 탈염 전극들로 적층 가능하며, 보다 부피가 작은 효과가 있다.
또한 본 발명에 의한 축전식 탈염 전극의 제조 방법은 이온교환수지층의 제조에 사용되는 유기용매의 사용 함량이 현저히 감소될 수 있고, 보다 친환경적인 이점이 있고, 저렴한 미다공막이 사용됨에도 탈염 효율이 현저히 향상될 수 있음에 따라 상업화 및 대량화에 유리하고 경제성이 우수하며, in-Line 적층 공정을 이용하여 단일 공정으로 공정이 복잡하지 않고, 유지, 보수, 운용이 용이하며, 제조되는 제품의 재현성이 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극의 단면도.
도 2는 도 1의 부분 확대도.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극의 단면도.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극의 구성방법을 설명하는 단면 개략도.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극의 다른 구성방법을 설명하는 단면 개략도.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극을 이용한 모노폴라 복합 축전식 탈염 장치의 개략도.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극을 이용한 바이폴라 복합 축전식 탈염 장치의 개략도.
도 8은 본 발명의 제1실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극의 제조방법의 일부 공정의 개략도.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 복합 축전식 탈염 전극의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극은 전극시트(110) 및 복합 미다공막(120)을 포함할 수 있으며, 편의상 전극시트(110) 및 복합 미다공막(120)을 포함하는 복합 축전식 탈염 전극을 제1단위체(10)라 한다.
전극시트(110)는 전원과 연결되어 전극의 역할을 하는 부분으로, 도 1에 도시된 바와 같이 전극시트(110)는 집전체(111) 및 탄소전극층(112)을 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 집전체(111)는 탄소전극층(112)을 형성하기 위한 일종의 지지체이과 동시에 전극 역할을 한다. 집전체(111)가 사용되는 이유는, 탄소전극층(112)만을 이용해 전극시트(110)를 구성할 경우 탄소 재질의 특성상 내구성이 취약해질 수 있어 이를 보완하기 위한 것이다.
집전체(111)는 전류가 인가되었을 때, 전기장이 집전체(111) 전체에 균일하게 분포할 수 있는 전도성 물질일 수 있으며, 집전체(111)를 구성하는 물질의 예로써 알루미늄, 니켈, 구리, 티타늄, 철, 스테인레스 스틸 및 흑연 중 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 하지만 이외에도 공지된 다양한 물질을 포함하여 구성될 수 있으므로, 이에 본 발명이 제한되지 않으며, 다양한 문헌을 참고해도 무방하다. 또한 집전체는 판상, 네트워크상, 결자형, 섬유상 등의 다양한 형태를 가질 수 있으므로, 그 형태에 제한을 두지 않음은 물론이다.
탄소전극층(112)은 이온의 흡착/탈착 효율을 향상시키기 위한 것으로, 탄소계 전극이라면 어떠한 재질이든 무방하다. 탄소전극층(112)은 활성탄소 입자, 탄소섬유, 카본나노튜브 및 그라파이트 입자 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 탄소계 소재를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한 탄소전극층(112)은 탄소전극으로서 탈염 효율을 향상시킬 수 있는 물질인 내구성/내후성 향상 물질 등을 더 포함할 수 있다. 구체적인 일예로, 상기 탄소전극층(112)은 탄소계 소재, 바인더 및 유기용매를 포함하는 슬러리를 막형태로 도포하고 건조하여 제조된 것일 수 있다. 또한 경우에 따라 비표면적과 축전용량 증대를 위해 상기 슬러리에 전극활물질 등이 더 첨가될 수 있다. 하지만 이는 구체적인 예로서 설명한 것일 뿐, 이외에도 다양한 물질이 더 첨가될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 복합 미다공막(120)은 전극시트(110)의 양면에 각각 하나씩 형성될 수 있으며, 단일의 복합 미다공막(120)은 미다공막(121) 및 이온교환수지층(122)을 포함할 수 있다.
미다공막(121)이란 공공이 형성된 얇은 필름을 의미하며, 복합 미다공막(120)은 미다공막(121)의 양면에 이온교환수지층(122)을 형성함으로써 휨 강도, 뒤틀림 내성, 내충격성, 탄성 등의 기계적 물성 및 화학적 내성이 개선될 수 있다.
미다공막(121)은 폴리올레핀계로 대표되는 고분자 미다공막일 수 있으며, 보다 상세히 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌이거나, 이들의 유도체 중에서 선택되는 둘 이상을 포함하는 미다공막일 수 있다. 단, 본 발명은 미다공막(121)의 재질을 상술한 바와 같이 한정하는 것은 아니며, 셀룰로스계가 사용될 수 있고, 미다공막(121)의 내구성 보강 또는 기타 목적을 위하여 고분자에 무기재질의 원료가 혼합되는 유무기 하이브리드계일 수 있다.
또한, 상기 미다공막(121)은 두께가 1 내지 500um일 수 있으며, 바람직한 일예로써 미다공막(121)의 두께는 휨 특성, 충격강도 등의 기계적 물성을 충분히 가지기 위하여 5 내지 30um일 수 있다.
이온교환수지층(122)은 정화처리대상유체가 통과할 때, 음이온 또는 양이온을 흡착해, 정화처리대상유체를 정화하는 것으로 상술한 바와 같은 동작을 하는 이온교환수지가 코팅된 층을 의미하며, 이온교환수지란 이온교환을 할 수 있는 불용성 합성수지이다. 이온교환수지는 양이온 교환수지와 음이온 교환수지로 나뉠 수 있고, 단일의 미다공막(121)의 양면에 형성되는 이온교환수지층(122)은 양이온 교환수지 및 음이온 교환수지 중 한 종류일 수 있다.
보다 상세히, 이온교환수지층(122)은 양이온교환수지층(양이온 교환막) 또는 음이온교환수지층(음이온 교환막)을 의미한다.
양이온교환수지층은 양이온 및 음이온 중에서 양이온을 선택적으로 흡착하는 물질을 포함하여 형성된 것이라면 무방하며, 음이온교환수지층은 양이온 및 음이온 중에서 음이온을 선택적으로 흡착하는 물질을 포함하여 형성된 것이라면 무방하다. 구체적인 일 예로, 이온교환수지층은 양이온교환기 또는 음이온교환기를 가지는 고분자수지를 유기용매에 용해하여 제조된, 즉, 상기 고분자수지 및 유기용매를 포함하는 이온교환수지 용액으로 전술한 방법을 통해 제조될 수 있다. 양이온 교환기를 가지는 고분자수지의 구체적 예로, 술폰산기(-SO3H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO3H2), 포스피닉기(-HPO2H), 아소닉기(-AsO3H2), 셀리노닉기(-SeO3H) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 관능기를 가지는 고분자수지를 들 수 있다. 음이온교환기를 가지는 고분자 수지의 구체적 예로, 4급 암모늄염(-NH3), 1~3급 아민(-NH2, -NHR, -NR2), 4급 포스포니움기(-PR4), 3급 술폰니움기(-SR3) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 관능기를 가지는 고분자수지를 들 수 있다. 하지만 이는 구체적인 예로서 설명한 것일 뿐, 이에 본 발명이 제한되지 않음은 물론이며, 공지된 문헌을 참고해도 무방하므로 제한되지 않는다.
본 실시예에서는 단일의 미다공막(121) 양측에는 동일한 종류의 교환수지가 형성될 수 있되, 전극시트(110)의 양측에 각각 형성된 복합 미다공막(120)은 동일한 종류의 이온을 교환하거나, 서로 다른 종류의 이온을 교환할 수 있으며, 이에 따라 본 발명을 바이폴라 복합 축전식 탈염 전극으로 사용하거나, 모노폴라 복합 축전식 탈염 전극으로 사용할 수 있다. 이에 관해서는 후술한다.
단일의 미다공막(121)의 양면에 형성되는 이온교환수지층(122)은 각각을 형성하는 이온교환수지가 미다공막(121)의 기공으로 침투하여 서로 연결될 수 있다.
도 2는 도 1의 A부분을 확대 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 복합 미다공막(120)의 이온교환수지층(122)은 전극시트(110)의 탄소전극층(112)의 표면에 흡착될 때, 일부 이온교환수지가 탄소전극층(112)의 내부로 침투 및 확산하여, 침투된 이온교환수지층(122s)을 형성할 수 있다. 그러나 이러한 침투된 이온교환수지층(122s)은 종래의 탄소전극층(112)의 표면에 이온교환수지 용액을 슬러리 형태로 직접 코팅하는 방식에 비해 침투가 적게 일어난 것으로, 이온교환수지 용액이 탄소전극층(112)의 기공을 막지 않아 본 발명의 동작시 이온의 포집이 더욱 용이하게 일어나 탈염 성능이 우수한 효과가 있다. 상술한 침투된 이온교환수지층(122s)에 대해서는 본 발명의 일실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극의 제조 방법을 설명할 때 보다 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극을 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극은, 상술한 제1단위체(10)가 복수개 배치되고, 복수개의 제1단위체(10) 사이에 스페이서(200)가 위치해, 제1단위체(10)와 스페이서(200)가 접합될 수 있다.
제1단위체(10)와 스페이서(200)가 접합되는 방식은, 제1단위체(10)의 최외곽을 이루는 층이 이온교환수지층(122)이기 때문에, 적절한 열처리 및 가압을 통한 접합 방식이 사용될 수 있다.
스페이서(200)는 서로 다른 제1단위체(10)가 이격된 상태로 결합될 수 있도록 함과 동시에, 내부에 유로가 형성되어 형성된 유로로 정화대상처리유체가 유입될 수 있다. 즉, 스페이서(200)는 격자 프레임구조와 같은 형상으로 내부에 유로가 형성되고, 유체는 스페이서(200)의 일측에서 타측으로(도 3을 기준으로 상측에서 하측 또는 하측에서 상측) 이동하면서, 스페이서(200) 양측의 복합 미다공막(120)과 이온교환을 통해 정화될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극이 확장되는 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극은 제1단위체(10)와 스페이서(200)가 반복해서 적층됨으로써 확장될 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 방법과 다른 방법으로 본 발명의 제2실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극이 확장되는 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극은, 제2단위체(20)와 전극시트(110)가 반복해서 적층됨으로써 확장될 수 있다.
제2단위체(20)는 상술한 본 발명의 구성들 중, 스페이서(200)의 양측에 복합 미다공막(120)이 형성된 복합 축전식 탈염 조립체이다.
도 5에 도시된 제2단위체(20) 자체만으로는 복합 축전식 탈염 전극의 역할을 하지 못하지만, 제2단위체(20)와 전극시트(110)가 적층 및 결합됨으로써 탈염 전극의 역할을 할 수 있으며, 제2단위체(20)와 전극시트(110)를 먼저 형성한 후 적층 및 결합이 이루어지기 때문에 제조가 용이한 효과가 있다.
제2단위체(20)에 포함되는 스페이서(200)는 양면에 이온교환수지층(122)이 형성된 복합 미다공막(120)을 형성한 후, 전극시트(110)와 제2단위체(20)가 적층되기 때문에, 도 2를 참조해 설명했던 침투된 이온교환수지층(122s)이 보다 적게 형성될 수 있어, 전극시트(110)의 탄소전극층(112)의 기공을 보다 적게 막아 탈염 효율이 우수한 효과가 있다.
제2단위체(20)와 탄소전극층(112)의 접합은 제1단위체(10)와 스페이서(200)의 접합 방법과 동일한 방법으로 이루어질 수 있다.
스페이서(200)의 양면 각각에 형성되는 복합 미다공막(120)은 동일하거나, 서로 다를 수 있으며, 스페이서(200)의 일면에만 복합 미다공막(120)이 형성되는 제2단위체(20)가 있을 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극을 이용한 모노폴라 복합 축전식 탈염 장치의 개략도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극을 이용한 모노폴라 복합 축전식 탈염 장치는 단일의 제1단위체에 있어서, 전극시트(110)의 양측에 형성된 복합 미다공막(120)의 이온교환수지층(122)이 양이온 이온교환수지로 형성된 양이온 제1단위체(10a)와, 마찬가지로 단일의 제1단위체에 있어서, 전극시트(110)의 양측에 형성된 복합 미다공막(120)의 이온교환수지층(122)이 음이온 이온교환수지로 형성된 음이온 제1단위체(10b)가 교번 적층되는 구조일 수 있다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이 모노폴라 복합 축전식 탈염 장치는 양이온 제1단위체(10a), 스페이서(200), 음이온 제1단위체(10b) 및 스페이서(200) 순서로 적층되며, 양이온 제1단위체(10a)들은 병렬로 전원(30)의 플러스극에 연결되고, 음이온 제1단위체(10b)들은 병렬로 전원(30)의 마이너스극에 연결되어 사용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극을 이용한 바이폴라 복합 축전식 탈염 장치의 개략도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극을 이용한 바이폴라 복합 축전식 탈염 장치는 단일의 제1단위체에 있어서, 전극시트(110)의 양측에 형성된 복합 미다공막(120)의 이온교환수지층(122)이 서로 다른 이온의 교환수지로 형성된 바이폴라 제1단위체(10c)일 수 있다.
예를 들어, 바이폴라 제1단위체(10c)는 전극시트(110)의 좌측은 음이온 이온교환수지층이, 우측은 양이온 이온교환수지층으로 형성될 수 있으며, 도 7에 도시된 바와 같이 모노폴라 복합 축전식 탈염 장치는 동일한 종류의 바이폴라 제1단위체(10c)가 직렬로 다수개 연결되고, 최외곽에 형성된 바이폴라 제1단위체(10c) 각각에 전원(30)의 플러스극과 마이너스극이 연결될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 제1실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극의 제조 방법에 관하여 상세히 설명한다. 이하 설명하는 본 발명의 제1실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극의 제조방법의 구성들을 상술한 복합 축전식 탈염 전극을 제조하는 방법이므로, 동일한 명칭 또는 도번은 동일한 구성으로 간주한다.
도 8은 본 발명의 제1실시예에 의한 복합 축전식 탈염전극의 제조과정 중 일부분을 도시한 것이다.
본 발명의 제1실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극의 제조방법은, a) 단계, b) 단계, c) 단계 및 d) 단계를 포함할 수 있다.
a) 단계는, 미다공막(121)의 표면에 이온교환수지층(122)을 형성하여 복합 미다공막(120)을 제조하는 단계이다.
a) 단계에서 미다공막(121)의 표면에 이온교환수지층(122)을 형성하여 복합 미다공막(120)을 제조하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있지만, 본 실시예에서는 도 8에 도시된 바와 같이, 미다공막(121)을 이온교환수지 용액(51)이 수용된 이온교환수지 용해조(50)로 함침시키는 방법을 사용한다.
도 8을 참조하여 상술한 a) 단계를 보다 상세히 설명하면, 미다공막(121)이 권취된 제1미다공막 귄취롤(41)이 회전하면서 미다공막(121)을 풀어내고, 풀어진 미다공막(121)이 제1이온교환수지 용액(51)이 수용된 이온교환수지 용해조(50)에 담겼다가 배출되면서 미다공막(121)의 양측에 이온교환수지층(122)이 형성된 제1복합 미다공막(120a)을 제조할 수 있다.
a) 단계에서는, 제1복합 미다공막(120a)과 동일한 방식으로 제2미다공막 권취롤(42), 제2이온교환수지 용액(51)이 수용된 이온교환수지 용해조(50)를 이용해 제2복합 미다공막(120b)을 제조할 수 있다.
제1복합 미다공막(120a)과 제2복합 미다공막(120b)은 서로 동일한 종류의 이온을 흡착하거나, 서로 다른 종류의 이온을 흡착할 수 있도록 동일하거나 서로 다른 종류의 이온교환수지층(122)이 형성될 수 있다.
b) 단계는 전극시트(110)의 양면에 상기 제1복합 미다공막(120a)과 제2복합 미다공막(120b)을 각각 형성하여, 제1단위체(10)를 제조하는 단계로, 도 8에 도시된 바와 같이 전극시트 권취롤(40)에서 풀려나오는 전극시트(110)의 일면에 스퀴즈롤(70)을 이용해 제1복합 미다공막(120a)을 형성한 후, 또 다른 스퀴즈롤(70)을 이용해 전극시트(110)의 타면에 제2복합 미다공막(120b)을 형성하여, 제1단위체(10)를 형성할 수 있다.
종래에는 요구 두께의 이온교환수지층을 형성하기 위해, 전극시트(110)상에 이온교환수지 용액을 요구 두께만큼 사용하여 코팅함에 따라 이온교환수지 용액의 사용량이 많아 비효율적이었던데 반해, 상술한 a) 및 b) 단계와 같은 방식의 경우, 미다공막(121)이 이온교환수지 용해조(50)에 함침되면서 미다공막(121)의 표면에 이온교환수지층(122)이 형성되어 복합 미다공막(120)을 형성하고, 스퀴즈롤(70)을 이용해 전극시트(110)의 표면에 복합 미다공막(120)을 압착하기 때문에, 이온교환수지층(122)을 일정한 두께로 유지할 수 있어 이온교환수지 용액 및 유기용매의 사용량이 현저히 감소하는 효과가 있다.
또한, 종래에는 전극시트(110)의 탄소전극층(112)에 이온교환수지 용액이 슬러리 형태로 직접 코팅되어 이온교환수지층을 형성함에 따라, 탄소전극층(112) 내부로 이온교환수지 용액이 깊이 확산되어 단위 면적당 탄소전극층(112)의 흡착 표면적이 감소되었지만, 먼저 복합 미다공막(120)을 형성한 후, 이를 전극시트(110)에 접착시키는 방식을 사용함으로써 이온교환수지 용액이 탄소전극층 내부로 깊숙이 확산되는 것을 방지할 수 있다.
b) 단계에서 사용되는 전극시트(110)는 도 1에 도시된 바와 같이 집전체(111) 및 집전체(111)의 양면에 형성된 탄소전극층(112)을 포함하기 때문에, b) 단계에서 스퀴즈롤(70)에 의해 전극시트(110)의 표면에 복합 미다공막(121)은 탄소전극층(112)에 압착되어, 도 2에 도시된 바와 같은 구조가 나타날 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, a) 단계 및 b) 단계에서 전극시트(110) 또는 미다공막(121)의 이송을 위해, 다수개의 가이드롤(70)이 사용될 수 있다.
b) 단계를 통해 최종적으로 제조된 제1단위체(10)는 전극 권취롤(90)에 감길 수 있으며, b) 단계 이후에 사용하고자 하는 길이로 재단될 수 있다.
c) 단계는 b) 단계 이후에 수행되며, 스페이서(200)의 일면에 상기 제1단위체(10)를 형성하는 단계이다. 제1단위체(10)의 최외곽에 형성된 이온교환수지층(122)은 수지재질로 접착력이 있기 때문에, 스페이서(200)와 제1단위체(10)를 가압한 후, 열처리와 같은 후처리를 이용해 스페이서(200)와 제1단위체(10)를 접착시킨다.
d) 단계는 c) 단계와 동일하거나 다른 방법을 통해, a) 및 b) 단계를 통해 생성된 또 다른 제1단위체(10)를 스페이서(200)의 다른 일면, 즉 타면에 형성한다.
상술한 과정은 도 4에 도시되었던, 제1단위체(10)와 스페이서(200)를 결합시켜 복합 축전식 탈염 전극을 제조하는 방식이다.
이하 도 5에 도시된 방식, 즉 제2단위체(20)와 전극시트(110)를 결합하는 방식인 본 발명의 제2실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극의 제조방법에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명의 제2실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극의 제조방법은, a) 단계, b) 단계 및 c) 단계를 포함할 수 있다.
a) 단계는 미다공막의 표면에 이온교환수지층을 형성하여 복합 미다공막을 제조하는 단계로, 도 8에 도시된 제1미다공막 권취롤(41), 제2미다공막 권취롤(42) 및 이온교환수지 용해조(50)를 이용해 복합 미다공막을 제조하는 단계와 동일할 수 있다.
b) 단계는 a) 단계에서 제조된 복합 미다공막을 스페이서의 일면에 형성해, 복합 미다공막과 스페이서를 포함하는 제2단위체를 형성하는 단계이다. b) 단계에서 형성된 제2단위체는 스페이서의 일면에 복합 미다공막이 형성된 것이거나 스페이서의 양면에 복합 미다공막이 형성된 것일 수 있다.
b) 단계에서는 스페이서의 일면에 복합 미다공막을 적층한 후 가압 또는 열처리를 통해 제2단위체를 형성할 수 있다.
c) 단계는 b) 단계에서 제조된 제2단위체의 일면에 전극시트를 형성하는 단계로, 제2단위체와 전극시트는 소정의 열처리 또는 가압을 통해 적층될 수 있다.
상술한 본 발명의 제1 및 제2실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극의 제조방법은, 복합 미다공막(120)을 제조하는 a) 단계 이후에 수행되며, 이전 단계까지 제조된 제조물을 건조하는 e) 단계를 더 포함할 수 있다. e) 단계에서 제조물의 건조는 다양한 방법을 통해 이루어질 수 있다. 도 8에 도시된 건조장치(80)는 그 일예로, 건조장치(80)는 열풍 건조기, 자외선/적외선 램프 등의 장치일 수 있다.
상술한 본 발명의 제1 및 제2실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극의 제조방법은, in-line 방식으로 연속 공정 라인을 통해 수행됨으로써, 생산성이 높고 대량 생산이 가능하며, 공정이 간소화되어 복잡하지 않고, 설비, 유지, 보수 등에 용이한 장점이 있다. 단, 본 발명은 탈염 전극의 제조방법을 in-line 방식의 연속 공정 라인에 한정하는 것은 아니며, 탈염 전극의 일부분을 미리 제작한 후, 나머지 부분을 조립(또는 결합)하는 방식이 사용될 수 있다.
본 발명 제1 및 제2실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극의 제조방법에 있어서, a) 단계에서 사용되는 미다공막(121)은 폴리올레핀계 미다공막일 수 있으며, 보다 상세히 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌이거나, 이들의 유도체 중에서 선택되는 둘 이상을 포함하는 미다공막일 수 있다.
또한, 상기 미다공막(121)은 두께가 1 내지 500um일 수 있으며, 바람직한 일예로써 미다공막(121)의 두께는 휨 특성, 충격강도 등의 기계적 물성을 충분히 가지기 위하여 5 내지 30um일 수 있다.
상술한 본 발명의 제1 및 제2실시예에 의한 복합 축전식 탈염 전극의 제조방법에서, 복합 미다공막(120)은, 미다공막(121)의 양면에 형성되는 이온교환수지층(122)의 이온교환수지가 미다공막(121)의 기공으로 침투하여 서로 연결될 수 있다.
상기 미다공막의 기공도가 10 내지 95%로 상대적으로 큰 총 기공 부피를 가질 수 있는 연속상의 미다공막일 수 있으며, 상기 미다공막은 전극시트와 결합되어 휨 특성, 탄성, 강도, 내충격성 등의 기계적 물성이 개선된다. 따라서 전극을 제조한 후에도 외부의 충격이나 뒤틀림 등에 대한 저항성이 우수하고, 충격강도나 탄성에서 매우 우수한 기계적 물성을 가지는 효과가 있다. 또한 상술한 바와 같이 상기 미다공막이 폴리올레핀계 수지가 주로 사용될 수 있음에 따라, 화학적 내구성도 우수하여 산이나 염기 등의 탈염 용액과의 접촉에 의한 화학적 특성에 따른 손상이 유발되지 않아 장기 사용이 가능한 장점도 있다.
즉, 본 발명에 따른 축전식 탈염 전극은 두께가 얇게 제조될 수 있음에도 불구하고 기계적 물성 및 화학적 물성이 우수하고, 가격이 저렴할 뿐만 아니라, 장기간 사용에도 초기 탈염 성능을 유지할 수 있는 효과가 있다.
상기 미다공막의 기공 크기(직경)는 0.01 내지 50 ㎛인 것이 바람직할 수 있으나, 이에 반드시 제한되어 해석되지 않음은 물론이다. 또한 상기 미다공막은 섬유(Fiber)상 또는 막(Membrane) 등의 다양한 형태를 가질 수 있음은 물론이다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
[부호의 설명]
10 : 제1단위체 10a : 양이온 제1단위체
10b : 음이온 제1단위체 10c : 바이폴라 제1단위체
20 : 제2단위체 30 : 전원
40 : 전극시트 권취롤
41 : 제1미다공막 권취롤 42 : 제2미다공막 권취롤
50 : 이온교환수지 용해조 51 : 이온교환수지 용액
60 : 가이드롤 70 : 스퀴즈롤
80 : 건조장치 90 : 전극 권취롤
110 : 전극시트
111 : 집전체 112 : 탄소전극층
120 : 복합 미다공막
121 : 미다공막 122 : 이온교환수지층
122s : 침투된 이온교환수지층
200 : 스페이서

Claims (17)

  1. a) 미다공막의 표면에 이온교환수지층을 형성하여 복합 미다공막을 제조하는
    단계; 및
    b) 전극시트의 양면에 상기 a) 단계에서 제조된 상기 복합 미다공막을 형성해 상기 복합 미다공막 및 상기 전극시트를 포함하는 제1단위체를 제조하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 축전식 탈염 전극의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    c) 상기 b) 단계 이후에 수행되며, 스페이서의 일면에 상기 제1단위체를 형성하는 단계; 및
    d) 상기 a) 및 b) 단계를 통해 제조된 또 다른 제1단위체를 상기 스페이서의 타면에 형성하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 축전식 탈염 전극의 제조방법.
  3. a) 미다공막의 표면에 이온교환수지층을 형성하여 복합 미다공막을 제조하는 단계;
    b) 상기 a) 단계에서 제조된 상기 복합 미다공막을 스페이서의 일면에 형성해 상기 복합 미다공막 및 상기 스페이서를 포함하는 제2단위체를 형성하는 단계; 및
    c) 상기 제2단위체의 일면에 전극시트를 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 축전식 탈염 조립체의 제조방법.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 a) 단계는 상기 미다공막의 일면 및 타면 각각에 서로 동일하거나 다른 종류의 제1복합 미다공막 및 제2복합 미다공막을 제조하는 것을 특징으로 하는 복합 축전식 탈염 전극의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 b) 단계는 상기 전극시트의 일면에 상기 a) 단계에서 제조 및 인입되는 상기 복합 미다공막을 적층 및 압착하여 상기 제1단위체를 제조하는 것을 특징으로 하는 복합 축전식 탈염 전극의 제조방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 b) 단계는 상기 스페이서의 일면에 상기 a) 단계에서 제조 및 인입되는 상기 복합 미다공막을 적층 및 압착하여 상기 제2단위체를 제조하는 것을 특징으로 하는 복합 축전식 탈염 전극의 제조방법.
  7. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 a) 단계는 미다공막 권취롤로부터 인입되는 미다공막을 이온교환수지용해조 내의 이온교환수지 용액에 함침시켜 상기 복합 미다공막을 제조하는 것을 특징으로 하는 복합 축전식 탈염 전극의 제조방법.
  8. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전극시트는 집천체 및 상기 집전체의 일면 또는 양면에 형성되는 탄소전극층을 포함하며,
    상기 탄소전극층 상에 상기 복합 미다공막이 적층 및 압착되는 것을 특징으로 하는 복합 축전식 탈염 전극의 제조방법.
  9. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 복합 미다공막은 상기 미다공막의 양면에 형성되는 상기 이온교환수지층의 이온 교환수지가 상기 미다공막의 기공으로 침투하여, 상기 기공을 통해 상기 미다공막 양면의 이온교환수지층들은 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 축전식 탈염 전극의 제조방법.
  10. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    e) 상기 a) 단계 이후에 수행되되, 이전 단계에서 제조된 제조물을 건조하는 건조단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 축전식 탈염 전극의 제조방법.
  11. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 미다공막은 폴리올레핀계, 셀룰로스계 또는 유무기 하이브리드계 미다공막인 것을 특징으로 하는 복합 축전식 탈염 전극의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 폴리올레핀계는 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌이거나, 이들의 유도체 중에서 선택되는 둘 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 축전식 탈염 전극의 제조방법.
  13. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 미다공막은 두께가 1 내지 500um이며,
    상기 미다공막은 기공도가 10 내지 95이고, 기공 크기가 0.01 내지 50um이며, 섬유 또는 막 형태인 것을 특징으로 하는 복합 축전식 탈염 전극의 제조방법.
  14. 전극시트; 및
    상기 전극시트의 양면에 각각 형성되는 복합 미다공막;
    을 포함하되,
    상기 복합 미다공막은
    미다공막,
    상기 미다공막의 양면에 각각 형성된 제1이온교환수지층 및 제2이온교환수지층을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 축전식 탈염 전극.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1이온교환수지층 및 상기 제2이온교환수지층은 서로 동일하거나 다른 것을 특징으로 하는 복합 축전식 탈염 전극.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 전극시트 및 상기 복합 미다공막으로 이루어지는 제1단위체 복수개가 교번 적층되며,
    상기 복합 축전식 탈염 전극은 상기 제1단위체 사이에 위치하며, 유로가 형성된 스페이서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 축전식 탈염 전극.
  17. 유로가 형성된 스페이서; 및
    상기 스페이서의 일면에 형성되는 복합 미다공막;
    을 포함하되,
    상기 복합 미다공막은
    미다공막,
    상기 미다공막의 양면에 각각 형성된 제1이온교환수지층 및 제2이온교환수지층을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 축전식 탈염 조립체.
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