WO2022220592A1 - 증산발전을 이용한 수소 생산 장치, 수소 생산 방법, 담수화 장치 및 담수화 방법 - Google Patents

증산발전을 이용한 수소 생산 장치, 수소 생산 방법, 담수화 장치 및 담수화 방법 Download PDF

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정다운
이승환
조인희
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Korea Institute of Industrial Technology KITECH
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    • B01D15/00—Separating processes involving the treatment of liquids with solid sorbents; Apparatus therefor
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    • B01D15/10—Selective adsorption, e.g. chromatography characterised by constructional or operational features
    • B01D15/22—Selective adsorption, e.g. chromatography characterised by constructional or operational features relating to the construction of the column
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/469—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
    • C02F2103/08—Seawater, e.g. for desalination
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/124—Water desalination

Definitions

  • the present invention relates to hydrogen production and desalination using transpiration, and more particularly, a hydrogen production device using transpiration to generate hydrogen or perform desalination using the power generated by performing transpiration. It relates to a method for producing hydrogen, a desalination device and a desalination method.
  • the amount of water that covers about 70% of the Earth's surface is about 1.39 billion tons. Of this, about 97% is seawater, and the remaining 3% is water for human consumption (freshwater). Land water is mostly made up of icebergs and glaciers or is groundwater. In other words, water resources usable by humans are limited to less than 3% of the water distributed on the earth.
  • the electric field formed by the DC power supplied from both ends of the electrodialysis stack as a driving force is used to separate ionic substances using an ion exchange membrane (ED: Electrodialysis Process) method
  • an embodiment of the present invention is to provide a hydrogen production device, a hydrogen production method, a desalination device and a desalination method using transpiration.
  • an embodiment of the present invention includes a power generation module unit for generating power by increasing generation; and a hydrogen generating unit that electrolyzes water using the generated power.
  • another embodiment of the present invention is a power generation module unit for generating power by increasing generation; and a desalination module unit for performing electrodialysis desalination using the generated power.
  • the evaporative power generation module unit by replacing the anode or the cathode of the desalination module unit as an integral part, is characterized in that it prevents the loss of power generated by the increment power generation module.
  • the transpiration power generation module unit includes a column-type transpiration generator comprising a hydrophilic nanofiber column coated with an adsorption material, wherein the nanofiber column includes a plurality of nanofiber strands, the plurality of nanofiber strands They are arranged in parallel in the longitudinal direction to form a fiber bundle, and the polar solvent is adsorbed to the adsorption material at one end of the nanofiber column and the polar solvent is not adsorbed due to a change in surface energy generated by the nanofiber column Electrical energy is generated due to the electromotive force generated by the energy difference with the other end of the nanofiber column, and the polar solvent is diffused from one end to the other end of the nanofiber column by the absorption power of the nanofiber strand of the nanofiber column, and the polar solvent contains It is characterized in that electric energy is generated due to an electric current induced as hydrogen ions (protons) move together.
  • the adsorption material is a conductive carbon material consisting of any one of Super C, vapor phase carbon fiber, Ketjen black, Denka black, acetylene black, carbon black, carbon nanotube, multi-wall carbon nanotube, and mesoporous carbon. characterized in that
  • hydrophilic nanofiber cellulose acetate (cellulose acetate), hydroxy ethyl cellulose (hydroxyl ethylcellulose), carboxymethyl cellulose (carboxymethyl cellulose), hydroxypropyl cellulose (hydroxypropyl cellulose) and carboxymethyl ethyl cellulose (carboxymethyl ethylcellulose) group consisting of It is characterized in that it comprises any one or more selected from.
  • the polar solvent is characterized in that it comprises any one or more selected from the group consisting of water, acetic acid, ethanol, acetone, acetonitrile, methanol, isopropanol and ammonia water including fresh water and seawater.
  • a desiccant is applied to one end of the nanofiber column to which the polar solvent is adsorbed, and the desiccant absorbs moisture in the atmosphere, so that the moisture acts as a polar solvent, thereby enabling continuous power generation in the atmosphere.
  • the desalination module unit of the desalination device using the evaporative power generation includes an anode and a cathode; and one or more pairs of cation exchange membranes and anion exchange membranes alternately disposed between the positive electrode and the negative electrode, wherein the region between the anion exchange membrane and the negative electrode and the region between the cation exchange membrane and the positive electrode are formed as a concentration unit in which concentrated water is generated characterized.
  • the evaporative power generation module unit is integrally manufactured by replacing the anode or cathode of any one of the enrichment units of the desalination module unit, and is characterized in that it prevents the loss of power produced by the transpiration power generation module.
  • the evaporative power generation module unit is characterized in that it is configured to use the concentrated water generated in the desalination module unit as the polar solvent.
  • another embodiment of the present invention is a power generation module unit for generating power by increasing generation; and a hydrogen generating unit that electrolyzes water using the generated electric power. ; and producing hydrogen by electrolyzing water in the hydrogen generator using the generated power.
  • an incremented power generation module unit for generating electric power by incremented power generation; and a desalination module unit for performing electrodialysis desalination by using the generated power; and producing fresh water by electrodialyzing the salt-containing solution in the desalination module unit by using the generated power.
  • the hydrogen production apparatus produces hydrogen using the transpirational power generation principle using the natural diffusion characteristics and concentration gradient of water, thereby enabling environmentally friendly and sustainable power generation.
  • the desalination device uses a transpiration power generation module utilizing humidity in the air, it is eco-friendly and enables sustainable power generation that avoids location restrictions, so that fresh water can be produced even in a poor environment where power does not come in.
  • the desalination device manufactured integrally with the evaporative power generation module can efficiently produce fresh water without loss of energy because it minimizes the lead wires.
  • FIG. 1 is a block diagram of a hydrogen production apparatus using transpirational power generation according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a hydrogen production apparatus using transpirational power generation according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a schematic diagram of a cellulose column, according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart of a hydrogen production method using transpirational power generation, according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram of a desalination apparatus for evaporative power generation, according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a desalination integrated device using transpirational power generation according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a flowchart of a desalination method using transpirational power generation, according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a SEM image of the upper surface of the column-type transpiration generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a SEM image of the side of the column-type transpiration generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a graph showing the measurement of the current and voltage of the column-type transpiration generator using the preparation example of the present invention.
  • FIG. 11 is a graph showing the measurement of the current and voltage of the evaporative generator using Comparative Example 1 of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram of a hydrogen production apparatus using transpirational power generation according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a hydrogen production apparatus using transpirational power generation according to an embodiment of the present invention.
  • the hydrogen production apparatus using the increment power generation according to an embodiment of the present invention, the increment power generation module unit 10 for producing electric power by the increment power generation; and a hydrogen generating unit 20 that electrolyzes water using the generated power.
  • electrical energy is generated by an electromotive force generated by an energy difference with a portion to which a polar solvent is not adsorbed due to a change in surface energy generated when a polar solvent is adsorbed to the substrate, or to the substrate.
  • electric energy may be generated due to an electric current induced as hydrogen ions (protons) contained in the polar solvent move together.
  • the transpiration module unit 10 includes a column-type transpiration generator 11 including a hydrophilic nanofiber column coated with an adsorption material.
  • the nanofiber column is characterized in that a plurality of nanofiber strands are arranged in parallel in the longitudinal direction to form a fiber bundle.
  • the nanofiber column type transpiration generator 11 has energy with the other end of the nanofiber column to which the polar solvent is not adsorbed due to a change in surface energy that occurs when a polar solvent is adsorbed to the adsorption material at one end of the nanofiber column. It is characterized in that electric energy is generated due to the electromotive force generated by the difference.
  • a polar solvent is diffused from one end of the nanofiber column to the other end by the absorption power of the nanofiber strands of the nanofiber column, and hydrogen ions (proton) contained in the polar solvent are It is characterized in that electrical energy is generated due to the electric current induced as the two move together.
  • the electric energy generation principle of the hydrophilic nanofiber column of the present invention uses the 'evaporative power generation principle'.
  • the evaporative power generation principle is that when the polar solvent is adsorbed to the carbon material only at one end of the nanofiber column in a state in which the carbon material having the conductivity is coated on the hydrophilic nanofiber as described above, in order to lower the surface energy of the ions Physical adsorption is effected on the surface of the carbon material. Due to this, an electric double layer is formed, and a potential difference induced by the difference in capacitance is formed between the wet portion to which the polar solvent is adsorbed and the dry portion to which the polar solvent is not adsorbed.
  • the hydrophilic nanofiber strands made of porous cellulose have high absorption capacity for polar solvents.
  • the polar solvent naturally diffuses and evaporates from one end of the hydrophilic nanofiber strand to the other end according to the capillary phenomenon by the high absorption power for the polar solvent.
  • the hydrogen ions (protons) contained in the polar solvent move together, and in order to maintain charge neutrality, electrons inside the carbon adsorption material also move in the same direction so that a current flows.
  • the nanofiber column type evaporation generator 11 may be, for example, a cellulose nanofiber column type evaporation generator (Cellulose Nanofiber Column (CNC) generator).
  • CNC Cellulose Nanofiber Column
  • the hydrophilic nanofiber strands are arranged in parallel in the longitudinal direction to form a bundle-shaped column.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a cellulose column according to an embodiment of the present invention of the nanofiber column.
  • the hydrophilic nanofibers may be prepared in a column form by arranging nanofiber strands in parallel in the longitudinal direction to form a fiber bundle.
  • the hydrophilic nanofiber material with a cellulose-based material having biodegradable properties while absorbing and evaporating the solvent quickly, the amount of power that can be produced is improved and the environment-friendly properties are improved.
  • the nanofiber column-type transpiration generator 11 has the advantage of being able to produce electricity up to 10 times or more compared to a non-column-type planar transpiration generator.
  • the adsorbent material is, Super C, gaseous carbon fiber, Ketjen black, Denka black, acetylene black, carbon black, carbon nanotubes, multi-wall carbon nanotubes, and mesopores. It may be a conductive carbon material made of any one of carbon, but any material capable of forming a capacitance gradient for evaporative power generation of the present invention described above may be used without limitation.
  • the hydrophilic nanofibers cellulose acetate (cellulose acetate), hydroxy ethylcellulose (hydroxyl ethylcellulose), carboxymethyl cellulose (carboxymethyl cellulose), hydroxypropyl cellulose (hydroxypropyl cellulose) and carboxymethyl It may include any one or more selected from the group consisting of ethyl cellulose (carboxymethyl ethylcellulose), and most preferably, it may include cellulose acetate having a property that can be easily processed in the market to reduce manufacturing cost.
  • the fiber bundle may be in the form of a column, but is not limited thereto, and any form capable of improving the diffusion rate by facilitating the movement of the polar solvent may be used without limitation.
  • the nanofiber column may be configured in various forms to control the power production by controlling the diffusion rate of the polar solvent through morphological modifications such as connecting and bending several columns to have a complicated path.
  • the polar solvent may include any one or more selected from the group consisting of water, acetic acid, ethanol, acetone, acetonitrile, methanol, isopropanol and ammonia water including fresh water and seawater.
  • the polar solvent is present in an abundant amount and may be seawater in which resources can be efficiently utilized.
  • the polar solvent is not limited thereto, and any solvent having the above-described transpirational power generation characteristics may be used without limitation.
  • a desiccant may be applied to one end of the nanofiber column to which the polar solvent is adsorbed.
  • the desiccant absorbs moisture in the atmosphere, so that the moisture acts as a polar solvent to enable continuous power generation in the atmosphere. That is, when a desiccant is applied only to one end of the nanofiber column, the desiccant naturally absorbs moisture present in the atmosphere, and the absorbed moisture forms a concentration gradient as described above, so that continuous self-generation is possible only with moisture in the atmosphere. has the effect of making it happen.
  • the present invention uses the principle of transpirational power generation using the natural diffusion characteristics and concentration gradient of water, so that continuous and self-generation is possible using water or surrounding moisture, so eco-friendly and sufficient power generation output is possible.
  • Column for next-generation energy harvesting A type transpiration generator can be provided.
  • a plurality of hydrophilic nanofiber strands are arranged in parallel in the longitudinal direction to form a bundle-shaped nanofiber.
  • preparing a column preparing an adsorption solution containing an adsorption material to be coated on the nanofiber column; an adsorption material primary coating step of immersing one end of the nanofiber column in the adsorption solution, and the adsorption solution rides up the nanofiber strands by capillary action and primarily coats the nanofiber strands; an adsorption material secondary coating step of secondarily coating the nanofiber strands by inverting the nanofiber column and immersing the other end of the nanofiber column in an adsorption solution; and drying the nanofiber column coated with the adsorption material.
  • the nanofiber column prepared in the step of preparing the nanofiber column may be prepared through cold isostatic pressing (CIP).
  • the cold isostatic pressing method is one of the material processing methods that can be mainly used for manufacturing a cigarette filter, and applies isostatic pressure to the object to be processed using hydraulic pressure. Thereby, since an isotropic pressure acts on the object to be processed, a molded article having a uniform density and little directionality can be obtained.
  • the nanofiber column manufactured through the cold isostatic pressing method as in the present invention it is possible to manufacture a column having a uniform fiber density, so that the adsorbent material coating can be uniformly coated without agglomeration and movement of the polar solvent In addition, it has an easy structure.
  • the adsorption material may be coated by coating the nanofiber strands in two steps.
  • the adsorption solution is a conductive carbon material made of any one of Super C, vapor phase carbon fiber, Ketjen black, Denka black, acetylene black, carbon black, carbon nanotube, multi-wall carbon nanotube, and mesoporous carbon, It may include distilled water and a surfactant.
  • the adsorption solution may be prepared by adding a surfactant to a solution in which the carbon particles are dispersed, followed by sonication to evenly disperse the carbon particles in the solution.
  • the adsorption solution rides up the nanofiber strands due to capillary action, and while the fiber strands are uniformly coated, both ends of the column can also be uniformly coated.
  • the increment-generation module unit 10 can produce electric power by including the nanofiber column-type increment-generation generator 11 .
  • the evaporative power generation module unit 10 may include one or more of the nanofiber column type transpiration generator 11 .
  • the intensity of power can be adjusted by adjusting the number of column-type increment generators 11 in the increment-generation module unit 10 .
  • the hydrogen generating unit 20 may generate hydrogen by electrolyzing water using the electric power generated by the transpiration power generation module unit 10 .
  • the electric power produced by the evaporative power generation module unit 10 is supplied to the electrolysis unit 23 , so that electrolysis of water may be performed, and hydrogen generated by the electrolysis The gas may be moved to and stored in the hydrogen storage unit 25 .
  • FIG. 4 is a flowchart of a hydrogen production method using transpirational power generation, according to an embodiment of the present invention.
  • the hydrogen production method using the evaporative power generation in the hydrogen production method using the hydrogen production device using the increment power generation, the step (S100) of generating electric power in the increment power generation module unit; and producing hydrogen by electrolyzing water in the hydrogen generator using the generated power (S200).
  • the power generation module unit 10 generates power (S100).
  • electrical energy is generated by the electromotive force generated by the energy difference with the part to which the polar solvent is not adsorbed due to a change in surface energy generated when the polar solvent is adsorbed to the substrate, or to the substrate.
  • electric energy may be generated due to an electric current induced as hydrogen ions (protons) contained in the polar solvent move together.
  • the transpiration module unit 10 includes a column-type transpiration generator 11 including a hydrophilic nanofiber column coated with an adsorption material.
  • the nanofiber column includes a plurality of nanofiber strands, wherein the plurality of nanofiber strands are arranged in parallel in the longitudinal direction to form a fiber bundle.
  • the evaporative power generation module unit 10 of the above configuration includes the other end of the nanofiber column to which the polar solvent is not adsorbed due to a change in surface energy generated by adsorbing a polar solvent to the adsorption material at one end of the nanofiber column and Electric energy is generated by the electromotive force generated by the energy difference.
  • the polar solvent is diffused from one end to the other end of the nanofiber column by the absorption power of the nanofiber strands of the nanofiber column, and the hydrogen ions (proton) contained in the polar solvent are together. It generates electrical energy due to the current induced as it moves.
  • water is electrolyzed by the hydrogen generator using the generated power to produce hydrogen (S200).
  • FIG. 5 is a block diagram of a desalination apparatus for evaporative power generation, according to an embodiment of the present invention.
  • the desalination device using the increment power generation includes: an increment power generation module unit 10 for generating electric power by increment power generation; and a desalination module unit 30 for performing electrodialysis desalination by using the generated power.
  • the configuration of the evaporative power generation module unit 10 is the hydrogen production of FIGS. 1 to 4 except that it is configured to supply the generated power to the desalination module unit 30 instead of the hydrogen generation unit 20 . Since the configuration and operation and effect of the evaporative power generation module unit 10 of the device are the same, a detailed description thereof will be omitted.
  • the desalination module unit 30 may perform electrodialysis desalination by using the electric power generated by the evaporative power generation module unit 10 .
  • the desalination module unit 30 includes an anode 31 and a cathode 33; and one or more pairs of cation exchange membranes 35 and anion exchange membranes 35 alternately disposed between the positive electrode 31 and the negative electrode 33 .
  • An anode 31 and a cathode 33 are installed on both sides, and a cation exchange membrane 35 through which only positive ions selectively permeate and an anion exchange membrane 35 through which only anions selectively permeate are alternately installed.
  • a gasket of a certain thickness is installed between the membranes to allow the solution to flow so that it can be transferred between the membranes. Then, if an appropriate amount of direct current is applied, the positive and negative ions in the solution move in opposite directions by electrical force. At this time, ion separation occurs according to the type of ion by the selective membrane.
  • the cation exchange membrane 35 passes, but the anion exchange membrane 35 does not pass, and thus remains in the concentrator 38 (concentration chamber).
  • the anion exchange membrane 35 passes, but the cation exchange membrane 35 does not pass, and thus remains in the concentrator 38 .
  • the concentrator 38 cations and anions are continuously accumulated, so that concentration occurs and concentrated water is generated.
  • the adjacent freshwater part 37 (dilution chamber) cations and anions continue to escape, resulting in desalination.
  • the cation exchange membrane 35 , the anion exchange membrane 35 , the fresh water unit 37 , and the concentration unit 38 may be formed of one or more repeating units.
  • the number of alternately configured desalination units 37 and enrichment units 38 further increases, resulting in efficient desalination (desalting). ) can help to advance the process.
  • the desalination process is often required even in harsh environments where electricity is not available.
  • the desalination device of the present invention utilizes the humidity in the air, it is possible to maximize the utility of the desalination device because it is environmentally friendly and enables sustainable power generation that avoids location limitations.
  • a desalination integrated device using transpirational power generation according to another embodiment of the present invention will be described.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a desalination integrated device using transpirational power generation according to an embodiment of the present invention.
  • the desalination integrated device using the increment power generation includes: a increment power generation module unit 10 for generating electric power by increment power generation; and a desalination module unit 10 including a positive electrode 31, a negative electrode 33, and at least one pair of cation exchange membranes 35 and anion exchange membranes 35 alternately disposed between the positive electrodes 31 and the negative electrode 33; Including, the evaporative power generation module may be an anode or a cathode of the desalination module unit 10 .
  • the evaporative power generation module unit 10 generates electrical energy by an electromotive force generated by an energy difference with a portion on which a polar solvent is not adsorbed due to a change in surface energy that occurs when a polar solvent is adsorbed to the substrate, or the polar solvent is applied to the substrate. It is characterized in that electric energy is generated due to the current caused by the movement of hydrogen ions (protons) contained in the polar solvent as the diffusion occurs.
  • the transpiration module unit 10 may include a column-type transpiration generator including a hydrophilic nanofiber column coated with an adsorption material.
  • the desalination module unit 10 includes a positive electrode 31, a negative electrode 33, and at least one pair of cation exchange membranes 35 and anion exchange membranes 35 alternately disposed between the positive electrodes 31 and the negative electrode 33 And, the space between the one or more pairs of the cation exchange membrane 35 and the anion exchange membrane 35 may be alternately configured as a fresh water unit 37 and a concentration unit 38 .
  • the desalination module unit 10 is desalinated by the principle of electrodialysis, and when electricity is applied to the anode 31 and the cathode 33 of the desalination module unit 10, the anions are converted to the anode 31 by electrical force.
  • the cation exchange membrane 35 selectively permeates only the cations and the anion exchange membrane 35 selectively transmits only the anions, so the space between the cations and the anions continues to accumulate is the concentration part 38 , and the adjacent interspace through which cations and anions continue to escape becomes the fresh water unit 37, so that fresh water production can be performed in the fresh water unit.
  • the evaporative power generation module unit 10 may be an anode or a cathode 33 of the desalination module unit 10 .
  • the increased production module unit 10 can be manufactured integrally by replacing any one of the positive electrode 31 or the negative electrode 33 or both the positive electrode 31 and the negative electrode 33 of the desalination module unit 10 . have.
  • the desalination integrated device does not require a lead wire or can install a minimum length of the lead wire compared to the non-integral desalination device, so there is almost no energy loss, so the loss of power can be greatly reduced and fresh water can be efficiently produced.
  • the desalination integrated device of the present invention can simplify the configuration and can be manufactured compactly, so that it can be easily used in various environments.
  • the transpiration power generation module unit 10 of the desalination integrated device may absorb seawater or humidity in the air to generate transpirational power.
  • desalination can be proceeded directly in the desalination module unit 10 with the electric power generated through the increased power generation, so that desalination is possible without externally supplied electricity.
  • Concentrated water in the concentrating unit 38 may be used as the polar solvent used in the transpiration power generation module unit 10 of the desalination integrated device.
  • FIG. 7 is a flowchart of a desalination method using transpirational power generation, according to an embodiment of the present invention.
  • the desalination method using the increment power generation includes the steps of generating power in the increment power generation module unit 10 ( S100 ); and producing fresh water by electrodialysis of the salt-containing solution in the desalination module unit 30 using the generated power (S200).
  • the power generation module unit 10 generates power (S100).
  • the evaporative power generation module unit 10 generates electrical energy by an electromotive force generated by an energy difference with a portion to which a polar solvent is not adsorbed due to a change in surface energy that occurs when a polar solvent is adsorbed to the substrate, or the polar solvent is applied to the substrate. Electric energy may be generated due to a current induced as hydrogen ions (protons) contained in the polar solvent move together as the polar solvent is diffused.
  • the evaporative power generation module unit 10 includes a column-type transpiration generator including a hydrophilic nanofiber column coated with an adsorption material, wherein the nanofiber column includes a plurality of nanofiber strands , characterized in that the plurality of nanofiber strands are arranged in parallel in the longitudinal direction to form a fiber bundle, the polarity due to a change in surface energy generated when a polar solvent is adsorbed to the adsorption material at one end of the column It is characterized in that electric energy is generated due to an electromotive force generated by an energy difference with the other end of the column to which the solvent is not adsorbed, and the polar solvent is diffused from one end of the column to the other end by the absorption power of the nanofiber strands of the column And it is characterized in that electrical energy is generated due to the current caused by the movement of hydrogen ions (protons) contained in the polar solvent together.
  • a column-type transpiration generator including a hydrophilic nanofiber column coated with an adsorption
  • the salt-containing solution is electrodialyzed in the desalination module unit 30 using the generated power to produce fresh water (S200).
  • fresh water can be produced by the principle of electrodialysis. Specifically, an anode 31 and a cathode 33 are installed on both sides, and only positive ions are selectively transmitted therebetween. A cation exchange membrane that selectively transmits only anions and an anion exchange membrane that selectively transmits only anions are installed alternately, and a gasket of a certain thickness is installed between the membranes to allow the solution to flow through the membranes. The anion and the anion move in opposite directions by an electric force.
  • ion separation occurs according to the type of ion by the selective membrane, and the cation moves toward the negative electrode 33 and passes through the cation exchange membrane but does not pass through the anion exchange membrane, so it remains in the concentrator (concentration chamber), and the anion is transferred to the positive electrode 31 ), the anion exchange membrane passes, but the cation exchange membrane does not pass, so it remains in the concentration section.
  • cations and anions are continuously accumulated in the enrichment unit, and concentration occurs.
  • concentration occurs in the adjacent freshwater unit (dilution chamber)
  • cations and anions continue to escape, so that fresh water can be produced on the principle of desalination.
  • the salt-containing solution may be a solution containing cations or anions, such as seawater and wastewater.
  • the desalination device of the present invention can be used without limitation in fields requiring desalination processes such as waste battery recycling for lithium separation, wastewater treatment, etc. as well as seawater desalination for producing drinking water.
  • a cellulose filter having a length of 30 mm and a diameter of 7.7 mm was prepared, and both edges were immersed in Ketjen black carbon solution by 1/10 of the length for 10 seconds to coat the adsorbent material, and then CaCl on one side. 2 (3.3 mol/L) 0.1ml was sprayed to prepare a column-type transpiration generator.
  • Comparative Example 1 was prepared by preparing a two-dimensional cotton fabric and coating an adsorbent material in the same manner as in Preparation Example.
  • Comparative Example 2 was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, except that a cellulose sponge was used instead of the two-dimensional cotton fabric.
  • FIG. 8 is a SEM image of the upper surface of the column-type transpiration generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a SEM image of the side of the column-type transpiration generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 8 to 9 it can be seen that the schematic form of the cellulose column is confirmed, and that the cellulose column is manufactured.
  • FIG. 10 is a graph showing the measurement of the current and voltage of the column-type transpiration generator using the preparation example of the present invention.
  • FIG. 11 is a graph showing the measurement of the current and voltage of the evaporative generator using Comparative Example 1 of the present invention.
  • the column type evaporative generator according to an embodiment of the present invention has a voltage of 0.3 V and a current of 300 ⁇ A, which is about 10 times higher than that of the comparative example and the prior art. It can be confirmed that it has the characteristics that can be produced.
  • the desalination device uses a transpiration power generation module utilizing humidity in the air, it is eco-friendly and enables sustainable power generation that avoids location restrictions, so that fresh water can be produced even in a poor environment where power does not come in.
  • the desalination device manufactured integrally with the evaporative power generation module can efficiently produce fresh water without loss of energy because it minimizes the lead wires.

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Abstract

본 발명은 증산 발전에 의해 전력을 생산하는 증산 발전 모듈부를 포함하는 증산 발전을 이용한 수소 생산 시스템과 상기 증산 발전 모듈부를 포함하는 담수화 시스템에 관한 것이다. 물의 자연적 확산 특성 및 농도 구배를 이용한 증산 발전 원리를 이용함으로써 친환경적이며, 담수화 장치의 경우 공기 중의 습도를 활용한 증산 발전 모듈을 이용하므로 지속 가능한 전력 생산이 가능하여 열악한 환경에서도 담수를 생산할 수 있다.

Description

증산발전을 이용한 수소 생산 장치, 수소 생산 방법, 담수화 장치 및 담수화 방법
본 발명은 증산발전을 이용한 수소 생산 및 담수화에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 증산 발전을 수행하여 생성된 전력을 이용하여 수소를 생성하거나 담수화를 수행할 수 있도록 하는 증산발전을 이용한 수소 생산 장치, 수소 생산 방법, 담수화 장치 및 담수화 방법에 관한 것이다.
한정된 화석에너지로 인한 자연 고갈의 문제를 해결할 새로운 에너지 개발이 시급해지고 있다. 또한, 지구 온난화 문제가 대두됨에 따라 온실가스가 발생하지 않는 친환경 에너지 개발에 적극 나서고 있다.
수소를 연료로 사용할 경우에 연소 시 극소량의 NOx을 제외하고는 공해물질이 생성되지 않기 때문에 현재 화석에너지가 갖고 있는 환경 오염문제를 해결할 수 있다. 그뿐만 아니라, 무한정인 물을 원료로 하여 제조할 수 있으므로, 향후 화학 에너지 고갈에 대한 궁극적인 대안으로 각광받고 있다.
현재 가장 많이 이용되는 수소의 제조기술은 화석연료를 개질 하는 것이다. 하지만, 여전히 화석연료를 사용한다는 점에서 자원 고갈의 문제를 해결할 수 없다는 문제점이 있었다.
이러한 친환경 에너지 개발에 대한 요구에 더하여, 인류가 사용할 수 있는 수자원의 부족 문제가 대두되고 있다.
구체적으로, 지구 표면의 약 70%를 덮은 물은 13.9억 톤 정도이다. 이 가운데 약 97%는 바닷물이고, 나머지 3%가 사람이 먹을 수 있는 물(담수)이다. 육지 물은 대부분 빙산과 빙하로 되어있거나 지하수이다. 즉 인간이 사용 가능한 수자원은 전 지구에 분포하는 물의 3% 이내로 한정되어 있다.
이에 따라, 해수 담수화 기술 중 전기투석조(Electrodialysis Stack) 양단에서 공급되는 직류전원에 의해 형성되는 전기장을 구동력으로 하여 이온교환막을 이용하여 이온성 물질을 분리하는 전기투석법(ED: Electrodialysis Process)법에 대한 관심이 커지고 있다.
즉, 친환경 에너지로서의 수소의 생산, 물 부족 극복을 위한 해수의 담수화, 수소의 생산과 해수 담수화를 위한 전기에너지의 친환경적인 공급의 필요성이 커지고 있다.
<선행기술문헌>
일본 공개특허공보 제2014-058903호
대한민국 등록특허공보 제2031252호
따라서 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는, 증산발전을 이용한 수소 생산 장치, 수소 생산 방법, 담수화 장치 및 담수화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 증산 발전에 의해 전력을 생산하는 증산 발전 모듈부; 및 상기 생산된 전력을 이용하여 물을 전기분해하는 수소 생성부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용한 수소 생산 장치를 제공한다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 다른 실시예는, 증산 발전에 의해 전력을 생산하는 증산 발전 모듈부; 및 상기 생산된 전력을 이용하여 전기 투석 담수화를 수행하는 담수화 모듈부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용한 담수화 장치를 제공한다.
상기 증산 발전 모듈부는, 상기 담수화 모듈부의 양극 또는 음극을 대체하여 일체형으로 제작됨으로써 상기 증산 발전 모듈에서 생산된 전력의 손실을 방지하는 것을 특징으로 한다.
상기 증산 발전 모듈부는 흡착 물질이 코팅된 친수성 나노 섬유 컬럼(column);을 포함하는 컬럼형 증산 발전기를 포함하되, 상기 나노 섬유 컬럼은, 복수 개의 나노 섬유 가닥들을 포함하되, 상기 복수 개의 나노 섬유 가닥들이 길이 방향으로 평행하게 배열되어 섬유 다발을 형성한 형태이고, 상기 나노 섬유 컬럼의 일단에서 상기 흡착 물질에 극성 용매가 흡착되며 발생하는 표면 에너지 변화로 인한 상기 극성 용매가 흡착되지 않은 상기 나노 섬유 컬럼의 타단과의 에너지 차이로 발생하는 기전력으로 인해 전기 에너지가 생성되며, 상기 나노 섬유 컬럼의 나노 섬유 가닥의 흡수력에 의해 극성 용매가 상기 나노 섬유 컬럼의 일단에서 타단으로 확산되며 상기 극성 용매가 함유하는 수소 이온(proton)이 함께 이동함에 따라 유발되는 전류로 인해 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 한다.
상기 흡착 물질은, 수퍼 C(Super C), 기상탄화탄소섬유, 케첸 블랙, 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 다중벽탄소나노튜브 및 메조기공탄소 중 어느 하나로 이루어진 전도성 탄소 물질인 것을 특징으로 한다.
상기 친수성 나노 섬유는, 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 하이드록시 에틸셀룰로오스(hydroxyl ethylcellulose), 카복시메틸셀룰로오스(carboxymethyl cellulose), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose) 및 카르복시메틸 에틸셀룰로오스(carboxymethyl ethylcellulose)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 극성 용매는, 담수 및 해수를 포함하는 물, 아세트산, 에탄올, 아세톤, 아세토니트릴, 메탄올, 아이소프로판올 및 암모니아수로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 극성 용매가 흡착되는 상기 나노 섬유 컬럼의 일단에는 흡습제가 도포되어, 상기 흡습제가 대기 중의 수분을 흡수하여 상기 수분이 극성 용매의 역할을 함으로써 대기 중에서도 지속적인 전력 생산이 가능한 것을 특징으로 한다.
상기 증산발전을 이용한 담수화 장치의 상기 담수화 모듈부는, 양극 및 음극; 및 상기 양극 및 음극 사이에 교대 배치되는 한 쌍 이상의 양이온 교환막 및 음이온 교환막;을 포함하고, 상기 음이온 교환막과 상기 음극 사이 영역 및 상기 양이온 교환막과 상기 양극 사이 영역이 농축수가 생성되는 농축부로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 증산 발전 모듈부는 상기 담수화 모듈부의 어느 하나의 농축부의 상기 양극 또는 음극을 대체하여 일체형으로 제작되어 상기 증산 발전 모듈에서 생산된 전력의 손실을 방지하는 것을 특징으로 한다.
상기 증산 발전 모듈부는 상기 극성 용매로 상기 담수화 모듈부에서 생성된 농축수를 이용하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 다른 실시예는, 증산 발전에 의해 전력을 생산하는 증산 발전 모듈부; 및 상기 생산된 전력을 이용하여 물을 전기분해하는 수소 생성부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용한 수소 생산 장치를 이용한 수소 생산 방법에 있어서, 상기 증산 발전 모듈부에서 전력을 생산하는 단계; 및 상기 생산된 전력을 이용하여 상기 수소 생성부에서 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용한 수소 생산 방법을 제공한다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해 본 발명의 다른 실시예는, 증산 발전에 의해 전력을 생산하는 증산 발전 모듈부; 및 상기 생산된 전력을 이용하여 전기 투석 담수화를 수행하는 담수화 모듈부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용한 담수화 장치를 이용한 담수화 방법에 있어서, 상기 증산 발전 모듈부에서 전력을 생산하는 단계; 및 상기 생산된 전력을 이용하여 상기 담수화 모듈부에서 염 포함 용액을 전기 투석하여 담수를 생산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용하는 담수화 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 수소 생산 장치는, 물의 자연적 확산 특성 및 농도 구배를 이용한 증산 발전 원리를 이용하여 수소를 생산함으로써, 친환경적이면서도 지속 가능한 발전이 가능하다.
또한, 증산 발전 모듈부에 컬럼형 증산 발전기를 포함함으로써, 물 전기 분해에 충분한 전력을 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 담수화 장치는 공기 중의 습도를 활용한 증산 발전 모듈을 이용하므로 친환경적이면서도 장소 제한성을 탈피한 지속 가능한 전력 생산이 가능하여 전력이 들어오지 않는 열악한 환경에서도 담수를 생산할 수 있다.
또한, 증산 발전 모듈과 일체형으로 제작된 담수화 장치는 도선을 최소화하므로 에너지 손실 없이 효율적으로 담수를 생산할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 증산 발전을 이용한 수소 생산 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 증산 발전을 이용한 수소 생산 장치의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 셀룰로오스 컬럼의 개략적인 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 증산 발전을 이용한 수소 생산 방법의 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 증산 발전을 담수화 장치의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 증산 발전을 이용하는 담수화 일체형 장치의 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 증산 발전을 이용하는 담수화 방법의 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼형 증산 발전기 윗면의 SEM 이미지이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼형 증산 발전기 옆면의 SEM 이미지이다.
도 10은 본 발명의 제조예를 이용한 컬럼형 증산 발전기의 전류 및 전압을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 비교예 1을 이용한 증산 발전기의 전류 및 전압을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 비교예 2를 이용한 증산 발전기의 전류 및 전압을 측정하여 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 증산 발전을 이용한 수소 생산 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 증산 발전을 이용한 수소 생산 장치의 모식도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 증산 발전을 이용한 수소 생산 장치는, 증산 발전에 의해 전력을 생산하는 증산 발전 모듈부(10); 및 상기 생산된 전력을 이용하여 물을 전기분해하는 수소 생성부(20);를 포함한다.
먼저, 상기 증산 발전 모듈부(10)는 기재에 극성 용매가 흡착되며 발생하는 표면 에너지 변화로 인해 극성 용매가 흡착되지 않은 부분과의 에너지 차이로 발생하는 기전력에 의해 전기 에너지가 생성 되거나, 기재에 극성 용매가 확산되면서 상기 극성 용매가 함유하는 수소 이온(proton)이 함께 이동함에 따라 유발되는 전류로 인해 전기 에너지가 생성될 수 있다.
예를 들어, 상기 증산 발전 모듈부(10)는 흡착 물질이 코팅된 친수성 나노 섬유 컬럼(column)을 포함하는 컬럼형 증산 발전기(11)를 포함한다. 상기 나노 섬유 컬럼은 복수개의 나노 섬유 가닥들이 길이 방향으로 평행하게 배열되어 섬유 다발을 형성한 형태인 것을 특징으로 한다. 상기 나노 섬유 컬럼형 증산 발전기(11)는 상기 나노 섬유 컬럼의 일단에서 상기 흡착 물질에 극성 용매가 흡착되며 발생하는 표면 에너지 변화로 인한 상기 극성 용매가 흡착되지 않은 상기 나노 섬유 컬럼의 타단과의 에너지 차이로 발생하는 기전력으로 인해 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 나노 섬유 컬럼형 증산 발전기(11)는 상기 나노 섬유 컬럼의 나노 섬유 가닥의 흡수력에 의해 극성 용매가 상기 나노 섬유 컬럼의 일단에서 타단으로 확산되며 상기 극성 용매가 함유하는 수소 이온(proton)이 함께 이동함에 따라 유발되는 전류로 인해 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 친수성 나노 섬유 컬럼(column)의 전기 에너지 생성 원리는 '증산 발전 원리'를 이용한다. 상기 증산 발전 원리는 상기와 같이 상기 친수성 나노 섬유에 상기 전도성을 갖는 탄소 물질이 코팅된 상태에서, 상기 나노 섬유 컬럼의 일단에만 극성 용매가 상기 탄소 물질에 흡착되게 되면, 표면 에너지를 낮추기 위하여 이온들의 물리적 흡착이 상기 탄소 물질 표면에 이루어진다. 이로 인해 전기 이중층(double layer)이 형성되고 커패시턴스(Capacitance) 차이에 의해 유도된 전위차가 상기 극성 용매가 흡착된 젖은 부분과 상기 극성 용매가 흡착되지 않은 마른 부분 간에 형성된다. 이러한 커패시턴스의 차이에 의해 형성된 전위차는 극성 용매가 완전히 증발하기 전까지 유지된다. 여기에, 상기와 같이 다공성 셀룰로오스로 이루어진 친수성 나노 섬유 가닥은, 극성 용매에 대한 높은 흡수력을 갖는다. 이러한 극성 용매에 대한 높은 흡수력에 의한 모세관 현상에 따라 극성 용매가 상기 친수성 나노 섬유 가닥의 일단에서 타단으로 자연스럽게 확산 및 증발된다. 이때, 상기 극성 용매가 함유하고 있는 수소 이온(proton)이 함께 이동하며, 이와 전하적인 중성(charge neutrality)을 유지하기 위하여 탄소 흡착 물질 내부의 전자도 같은 방향으로 이동하여 전류가 흐르게 된다.
상기 나노 섬유 컬럼형 증산 발전기(11)는 예를 들어, 셀룰로오스 나노섬유 컬럼형 증산 발전기(Cellulose Nanofiber Column(CNC) generator)일 수 있다.
상기 친수성 나노 섬유 가닥들을 길이 방향으로 평행하게 배열하여 다발 형태의 컬럼(column)으로 구성한다.
도 3은 상기 나노 섬유 컬럼의 본 발명의 일 실시예에 따른 셀룰로오스 컬럼의 개략적인 모식도이다.
도 3을 참조하면 상기 친수성 나노 섬유가 나노 섬유 가닥들이 길이 방향으로 평행하게 배열되어 섬유 다발을 형성하여 컬럼 형태로 제조될 수 있다.
이에 의해 용매의 용이한 이동을 가능하게 하여 용매 확산 속도를 향상시킨다. 또한, 상기 친수성 나노 섬유 소재를 용매의 흡습과 증발이 빠르면서도 생분해 가능한 특성을 갖는 셀룰로오스 계열의 소재로 구성함으로써 생산 가능한 전력량을 향상시키고 친환경적 특성을 향상시킨다.
상기 나노 섬유 컬럼형 증산 발전기(11)는 컬럼형이 아닌 면상 증산 발전기와 비교하여 최대 10배 이상까지 전기를 생산할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 흡착 물질은, 수퍼 C(Super C), 기상탄화탄소섬유, 케첸 블랙, 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 다중벽탄소나노튜브 및 메조기공탄소 중 어느 하나로 이루어진 전도성 탄소 물질일 수 있으나, 전술한 본 발명의 증산 발전을 위한 커패시턴스 구배를 형성 가능한 물질이라면 제한 없이 이용 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 친수성 나노 섬유는, 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 하이드록시 에틸셀룰로오스(hydroxyl ethylcellulose), 카복시메틸셀룰로오스(carboxymethyl cellulose), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose) 및 카르복시메틸 에틸셀룰로오스(carboxymethyl ethylcellulose)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 할 수 있으며, 가장 바람직하게는, 시중에서 쉽게 공정 가능하여 제조 원가 절감이 가능한 특성을 갖는 셀룰로오스 아세테이트를 포함할 수 있다.
상기와 같이 극성 용매에 대한 흡습 및 증발 특성이 매우 뛰어난 천연 물질인 셀룰로오스를 컬럼 소재로 이용함으로써, 자연 분해가 가능하면서도 높은 전력 생산이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 섬유 다발은, 원기둥 형태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 극성 용매의 이동을 용이하게 하여 확산 속도를 향상 가능한 형태라면 제한 없이 사용될 수 있다.
또한, 상기 나노 섬유 컬럼은, 복잡한 경로를 갖도록 컬럼 여러 개를 연결하여 사용하거나 구부리는 등의 형태적인 변형을 통하여, 극성 용매의 확산 속도를 조절함으로써, 전력 생산량을 제어 가능하도록 다양한 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 극성 용매는, 담수 및 해수를 포함하는 물, 아세트산, 에탄올, 아세톤, 아세토니트릴, 메탄올, 아이소프로판올 및 암모니아수로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 극성 용매는 풍부한 양으로 존재하여 자원의 효율적 활용이 가능한 해수일 수 있다. 상기 극성 용매는 이에 제한되는 것은 아니며, 전술한 상기 증산 발전이 가능한 특성을 갖는 용매라면 제한 없이 이용 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 극성 용매가 흡착되는 상기 나노 섬유 컬럼의 일단에는 흡습제가 도포 될 수도 있다. 상기 흡습제는 대기 중의 수분을 흡수하여 상기 수분이 극성 용매의 역할을 함으로써 대기 중에서도 지속적인 전력 생산이 가능하도록 한다. 즉, 상기 나노 섬유 컬럼의 일단에만 흡습제를 도포하면, 상기 흡습제가 대기 중에 존재하는 수분을 자연스럽게 흡수하여, 상기 흡수된 수분이 전술한 바와 같은 농도 구배를 형성함으로써 대기 중의 수분 만으로도 지속적인 자가 발전이 가능하도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 물의 자연적 확산 특성 및 농도 구배를 이용한 증산 발전 원리를 이용함으로써, 물 또는 주변의 수분을 이용하여 지속 및 자가 발전이 가능하므로 친환경적이면서도 충분한 발전 출력의 확보가 가능한 차세대 에너지 하베스팅을 위한 컬럼형 증산 발전기를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 나노 섬유 컬럼(column)을 포함하는 컬럼형 증산 발전기(11)의 제조방법은, 복수개의 친수성 나노 섬유 가닥들이 길이 방향으로 평행하게 배열되어 형성된 다발 형태의 나노 섬유 컬럼(column)을 준비하는 단계; 상기 나노 섬유 컬럼에 코팅할 흡착 물질을 포함하는 흡착 용액을 준비하는 단계; 상기 나노 섬유 컬럼의 일단을 상기 흡착 용액에 침지시켜, 상기 흡착 용액이 모세관 현상에 의하여 상기 나노 섬유 가닥을 타고 올라가며 상기 나노 섬유 가닥을 1차적으로 코팅시키는 흡착 물질 1차 코팅 단계; 상기 나노 섬유 컬럼을 뒤집어서 상기 나노 섬유 컬럼의 타단을 흡착 용액에 침지시켜 상기 나노 섬유 가닥을 2차적으로 코팅시키는 흡착 물질 2차 코팅 단계; 및 상기 흡착 물질이 코팅된 상기 나노 섬유 컬럼을 건조시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 나노 섬유 컬럼을 준비하는 단계에서 준비되는 상기 나노 섬유 컬럼은, 냉간 등방압 가압법(Cold Isostatic Pressing, CIP)을 통해 제조될 수 있다.
상기 냉간 등방압 가압법은, 주로 담배 필터를 제조하는데 이용 가능한 재료 가공 방법의 하나로, 액압을 이용해서 피처리체에 등방압을 가한다. 이에 의해, 피처리체에 등방적인 압력이 작용하기 때문에 밀도가 균일하고 방향성이 적은 성형체를 얻을 수 있다.
따라서 본 발명과 같이 상기 냉간 등방압 가압법을 통해 제조된 나노 섬유 컬럼을 이용하면, 균일한 섬유 밀도를 갖는 컬럼의 제조가 가능하므로, 흡착 물질 코팅이 뭉침 없이 균일하게 코팅 가능하며 극성 용매의 이동 또한 용이한 구조를 갖게 된다.
상기 흡착 물질 1차 코팅 단계 및 흡착 물질 2차 코팅 단계에서는, 상기와 같이 준비된 상기 나노 섬유 컬럼의 일단을 상기 흡착 용액에 침지시킨다. 이 후, 상기 나노 섬유 컬럼을 뒤집어서 상기 나노 섬유 컬럼의 타단을 흡착 용액에 침지시킨다. 즉, 상기 나노 섬유 가닥을 2단계로 코팅시키는 방식으로 흡착 물질을 코팅할 수 있다.
상기 흡착 용액은, 수퍼 C(Super C), 기상탄화탄소섬유, 케첸 블랙, 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 다중벽탄소나노튜브 및 메조기공탄소 중 어느 하나로 이루어진 전도성 탄소 물질, 증류수 및 계면활성제를 포함할 수 있다.
더욱 자세하게는, 상기 흡착 용액은, 탄소 입자가 분산된 용액에 계면 활성제를 첨가하여 음파 처리하여 탄소 입자를 용액 내 고르게 분산시켜 제조된 것일 수 있다.
상기와 같이 1차와 2차로 나누어 컬럼에 흡착 물질을 코팅시킴으로써, 상기 흡착 용액이 모세관 현상에 의하여 상기 나노 섬유 가닥을 타고 올라가며 섬유 가닥이 균일하게 코팅되면서도 컬럼의 양 단 또한 균일하게 코팅 가능하다.
따라서 상기 증산 발전 모듈부(10)는 상기 나노 섬유 컬럼형 증산 발전기(11)를 포함함으로써 전력을 생산할 수 있게 된다.
상기 증산 발전 모듈부(10) 상기 나노 섬유 컬럼형 증산 발전기(11)를 1개 이상 포함할 수 있다.
상기 증산 발전 모듈부(10)에 컬럼형 증산 발전기(11)의 수를 조절하여 전력의 세기를 조절할 수 있다.
상기 증산 발전 모듈부(10)에서 생산된 전력을 상기 수소 생성부(20)로 공급하여 수소를 생산할 수 있도록 할 수 있다.
다음으로, 수소생성부(20)는 상기 증산 발전 모듈부(10)에서 생산된 전력을 이용하여 물을 전기분해 하여 수소를 생성할 수 있다.
상기 전기 분해는 물에 전압을 가하였을 때 전자는 -극에서 +극으로 흐르므로, 양이온인 수소이온은 -극으로 이동하여 전자를 얻어 환원되는 원리이며, 이로 인해 수소 기체를 생성할 수 있다.
도 2를 참조하면, 예를 들어, 상기 증산 발전 모듈부(10)에서 생산된 전력이 상기 전기 분해부(23)로 공급되어, 물의 전기 분해가 이루어질 수 있고, 상기 전기 분해에 의해 생성된 수소 가스는 수소 저장부(25)로 이동되어 저장될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 증산 발전을 이용한 수소 생산 방법을 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 증산 발전을 이용한 수소 생산 방법의 순서도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 증산 발전을 이용한 수소 생산 방법은, 상기 증산 발전을 이용한 수소 생산 장치을 이용한 수소 생산 방법에 있어서, 상기 증산 발전 모듈부에서 전력을 생산하는 단계(S100); 및 상기 생산된 전력을 이용하여 상기 수소 생성부에서 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 단계(S200);를 포함한다.
첫째 단계에서, 상기 증산 발전 모듈부(10)에서 전력을 생산한다(S100).
먼저, 상기 증산 발전 모듈부(10)는 기재에 극성 용매가 흡착되며 발생하는 표면 에너지 변화로 인해 극성 용매가 흡착되지 않은 부분과의 에너지 차이로 발생하는 기전력에 의해 전기 에너지가 생성되거나, 기재에 극성 용매가 확산되면서 상기 극성 용매가 함유하는 수소 이온(proton)이 함께 이동함에 따라 유발되는 전류로 인해 전기 에너지가 생성될 수 있다.
예를 들어, 상기 증산 발전 모듈부(10)는 흡착 물질이 코팅된 친수성 나노 섬유 컬럼(column)을 포함하는 컬럼형 증산 발전기(11)를 포함한다. 상기 나노 섬유 컬럼은, 복수개의 나노 섬유 가닥들을 포함하되, 상기 복수개의 나노 섬유 가닥들이 길이 방향으로 평행하게 배열되어 섬유 다발을 형성한 형태인 것을 특징으로 한다. 상술한 구성의 상기 증산 발전 모듈부(10)는 상기 나노 섬유 컬럼의 일단에서 상기 흡착 물질에 극성 용매가 흡착되며 발생하는 표면 에너지 변화로 인한 상기 극성 용매가 흡착되지 않은 상기 나노 섬유 컬럼의 타단과의 에너지 차이로 발생하는 기전력에 의해 전기 에너지를 생성한다. 또한, 상기 증산 발전 모듈부(10)는 상기 나노 섬유 컬럼의 나노 섬유 가닥의 흡수력에 의해 극성 용매가 상기 나노 섬유 컬럼의 일단에서 타단으로 확산되며 상기 극성 용매가 함유하는 수소 이온(proton)이 함께 이동함에 따라 유발되는 전류로 인해 전기 에너지를 생성한다.
둘째 단계에서, 상기 생산된 전력을 이용하여 상기 수소 생성부에서 물을 전기분해하여 수소를 생산한다(S200).
상기 전기 분해는 물에 전압을 가하였을 때 전자는 -극에서 +극으로 흐르므로, 양이온인 수소 이온은 -극으로 이동하여 전자를 얻어 환원되는 원리이며, 이로 인해 수소 기체를 생성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 증산 발전을 담수화 장치의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 증산 발전을 이용하는 담수화 장치는, 증산 발전에 의해 전력을 생산하는 증산 발전 모듈부(10); 및 상기 생산된 전력을 이용하여 전기 투석 담수화를 수행하는 담수화 모듈부(30);를 포함한다.
상기 구성에서 상기 증산 발전 모듈부(10)의 구성은 생성된 전력을 수소 생성부(20)가 아닌 담수화 모듈부(30)로 공급하도록 구성되는 것을 제외하고는, 도 1 내지 도 4의 수소 생산 장치의 증산 발전 모듈부(10)와 구성 및 작용 효과가 동일하므로 그 상세한 설명은 생략한다.
상기 담수화 모듈부(30)는 상기 증산 발전 모듈부(10)에서 생산된 전력을 이용하여 전기 투석 담수화를 수행할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 담수화 모듈부(30)는 양극(31) 및 음극(33); 및 상기 양극(31) 및 음극(33) 사이에 교대 배치되는 한 쌍 이상의 양이온 교환막(35) 및 음이온 교환막(35)을 포함할 수 있다.
상기 한 쌍 이상의 양이온 교환막(35) 및 음이온 교환막(35)의 이온의 선택적 투과에 의해 그들 사이의 공간들은 담수부(37) 및 농축부(38)로 교대로 형성된다.
상기 담수화 모듈부(30)에서 전기투석(Electrodialysis)이 수행되는 원리를 보다 자세히 설명하면 다음과 같다. 양쪽에 양극(31)과 음극(33)을 설치하고, 그 사이에 양이온만이 선택적으로 투과하는 양이온 교환막(35)과 음이온만이 선택적으로 투과하는 음이온 교환막(35)을 교대로 설치한다. 막 사이에는 일정한 두께의 가스킷을 설치하여 막 사이로 전해질 수 있게 용액이 흐르게 한 뒤 적정량의 직류를 걸어주면 용액중의 양이온과 음이온은 전기적 힘에 의해 서로 반대방향으로 이동한다. 이때 선택성 막에 의해 이온의 종류에 따라 이온 분리가 일어난다. 양이온은 음극(33) 쪽으로 이동하면서 양이온 교환막(35)은 통과하지만 음이온 교환막(35)은 통과하지 못해 농축부(38)(농축실)에 남아있게 된다. 음이온은 양극(31) 쪽으로 이동하면서 음이온 교환막(35)은 통과하나 양이온 교환막(35)은 통과하지 못해 농축부(38)에 남아 있게 된다. 그리하여 농축부(38)에서는 양이온과 음이온이 계속 축적되어 농축이 일어나고 농축수가 생성된다. 이웃한 담수부(37)(희석실)에서는 양이온과 음이온이 계속 빠져나가게 되어 탈염이 일어난다.
상기 양이온 교환막(35), 음이온 교환막(35), 담수부(37) 및 농축부(38)는 1개 이상의 반복 단위로 형성될 수 있다.
상기 담수화 모듈부(30) 내에 상기 양이온 교환막(35) 및 음이온 교환막(35)을 반복 설치하면 그에 따라 교대 구성되는 담수부(37) 및 농축부(38)의 수가 더 증가하여 효율적으로 담수화(탈염) 공정을 진행하는 데 도움이 될 수 있다.
담수화 공정은 전기가 들어오지 않는 열악한 환경에서도 필요한 경우가 많다. 그러나 본 발명의 담수화 장치는 공기 중의 습도를 활용하기 때문에 친환경적이면서도 장소 제한성을 탈피한 지속 가능한 전력 생산이 가능하여 담수화 장치의 활용도를 극대화 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 증산 발전을 이용하는 담수화 일체형 장치를 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 증산 발전을 이용하는 담수화 일체형 장치의 모식도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 증산 발전을 이용하는 담수화 일체형 장치는, 증산 발전에 의해 전력을 생산하는 증산 발전 모듈부(10); 및 양극(31), 음극(33) 및 상기 양극(31) 및 음극(33) 사이에 교대 배치되는 한 쌍 이상의 양이온 교환막(35) 및 음이온 교환막(35)을 포함하는 담수화 모듈부(10)를 포함하고, 상기 증산 발전 모듈은 상기 담수화 모듈부(10)의 양극 또는 음극일 수 있다.
상기 증산 발전 모듈부(10)는 기재에 극성 용매가 흡착되며 발생하는 표면 에너지 변화로 인해 극성 용매가 흡착되지 않은 부분과의 에너지 차이로 발생하는 기전력에 의해 전기 에너지가 생성 되거나, 기재에 극성 용매가 확산되면서 상기 극성 용매가 함유하는 수소 이온(proton)이 함께 이동함에 따라 유발되는 전류로 인해 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 한다.
상기 증산 발전 모듈부(10)는 흡착 물질이 코팅된 친수성 나노 섬유 컬럼(column)을 포함하는 컬럼형 증산 발전기를 포함할 수 있다.
상기 담수화 모듈부(10)는, 양극(31), 음극(33) 및 상기 양극(31) 및 음극(33) 사이에 교대 배치되는 한 쌍 이상의 양이온 교환막(35) 및 음이온 교환막(35)을 포함하고, 상기 한 쌍 이상의 양이온 교환막(35) 및 음이온 교환막(35)의 사이 공간들은 담수부(37) 및 농축부(38)로서 교대 구성될 수 있다.
상기 담수화 모듈부(10)는, 전기 투석 원리에 의해 담수화 되는 것으로, 상기 담수화 모듈부(10)의 양극(31) 및 음극(33)에 전기를 걸어주면 전기적 힘에 의해 음이온은 양극(31)으로 양이온은 음극(33)으로 이동하고, 이때 상기 양이온 교환막(35)은 양이온만을, 상기 음이온 교환막(35)은 음이온만을 선택적으로 투과하므로 양이온과 음이온이 계속 축적되는 사이공간은 농축부(38)가 되고, 양이온과 음이온이 계속 빠져나가는 이웃한 사이공간은 담수부(37)가 되어서 상기 담수부에서 담수 생산이 이루어 질 수 있다.
상기 증산 발전 모듈부(10)는 상기 담수화 모듈부(10)의 양극 또는 음극(33)일 수 있다
즉, 상기 증산 발전 모듈부(10)가 상기 담수화 모듈부(10)의 양극(31) 또는 음극(33) 중에 어느 하나 또는 양극(31) 및 음극(33) 모두를 대체하여 일체형으로 제작될 수 있다.
상기 담수화 일체형 장치는 일체형이 아닌 담수화 장치에 비해 도선이 불필요하거나 도선의 길이를 최소한으로 설치할 수 있어서 에너지 손실이 거의 없어 전력의 손실을 크게 줄일 수 있고 효율적으로 담수 생산이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 담수화 일체형 장치는 구성을 단순화 할 수 있고, 컴팩트 하게 제작 가능하여 다양한 환경에서 용이 사용 가능하다.
예를 들어, 상기 담수화 일체형 장치를 해수에 띄우는 경우, 상기 담수화 일체형 장치의 증산 발전 모듈부(10)는 해수 또는 공기중 습도를 흡수하여 증산 발전할 수 있다. 그리고 상기 증산 발전을 통해 생산된 전력으로 바로 담수화 모듈부(10)에서 담수화 진행이 가능하여 외부에서 별도 공급되는 전기 없이도 담수 생산이 가능하다.
상기 담수화 일체형 장치의 증산 발전 모듈부(10)에서 사용되는 극성 용매로 상기 농축부(38) 내의 농축수를 이용할 수도 있다.
상기 극성 용매로 농축수를 이용하는 경우 극성이 매우 크기 때문에 컬럼의 타단과의 에너지 차이가 커서 더 많은 전기에너지를 생산할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 상기 증산 발전을 이용하는 담수화 방법을 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 증산 발전을 이용하는 담수화 방법의 순서도이다.
도 7를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 증산 발전을 이용하는 담수화 방법은, 상기 증산 발전 모듈부(10)에서 전력을 생산하는 단계(S100); 및 상기 생산된 전력을 이용하여 상기 담수화 모듈부(30)에서 염 포함 용액을 전기 투석하여 담수를 생산하는 단계(S200);를 포함한다.
첫째 단계에서, 상기 증산 발전 모듈부(10)에서 전력을 생산한다(S100).
상기 증산 발전 모듈부(10)는 기재에 극성 용매가 흡착되며 발생하는 표면 에너지 변화로 인해 극성 용매가 흡착되지 않은 부분과의 에너지 차이로 발생하는 기전력에 의해 전기 에너지가 생성되거나, 기재에 극성 용매가 확산되면서 상기 극성 용매가 함유하는 수소 이온(proton)이 함께 이동함에 따라 유발되는 전류로 인해 전기 에너지가 생성될 수 있다.
예를 들어, 상기 증산 발전 모듈부(10)는 흡착 물질이 코팅된 친수성 나노 섬유 컬럼(column)을 포함하는 컬럼형 증산 발전기를 포함하되, 상기 나노 섬유 컬럼은, 복수개의 나노 섬유 가닥들을 포함하되, 상기 복수개의 나노 섬유 가닥들이 길이 방향으로 평행하게 배열되어 섬유 다발을 형성한 형태인 것을 특징으로 하여, 상기 컬럼의 일단에서 상기 흡착 물질에 극성 용매가 흡착되며 발생하는 표면 에너지 변화로 인한 상기 극성 용매가 흡착되지 않은 상기 컬럼의 타단과의 에너지 차이로 발생하는 기전력으로 인해 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 하고, 상기 컬럼의 나노 섬유 가닥의 흡수력에 의해 극성 용매가 상기 컬럼의 일단에서 타단으로 확산되며 상기 극성 용매가 함유하는 수소 이온(proton)이 함께 이동함에 따라 유발되는 전류로 인해 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 한다.
둘째 단계에서, 상기 생산된 전력을 이용하여 상기 담수화 모듈부(30)에서 염 포함 용액을 전기 투석하여 담수를 생산한다(S200).
상기 담수화 모듈부(30)에서는 전기투석법(Electrodialysis)의 원리로 담수를 생산할 수 있는데, 구체적으로, 양쪽에 양극(31)과 음극(33)을 설치하고, 그 사이에 양이온만이 선택적으로 투과하는 양이온 교환막과 음이온만이 선택적으로 투과하는 음이온 교환막을 교대로 설치하고, 막 사이에는 일정한 두께의 가스킷을 설치하여 막 사이로 전해질 수 있게 용액이 흐르게 한 뒤, 적정량의 직류를 걸어주면 용액중의 양이온과 음이온은 전기적 힘에 의해 서로 반대방향으로 이동한다. 이때 선택성 막에 의해 이온의 종류에 따라 이온 분리가 일어나는데, 양이온은 음극(33)쪽으로 이동하면서 양이온교환막은 통과하지만 음이온교환막은 통과하지 못해 농축부(농축실)에 남아있게 되며 음이온은 양극(31) 쪽으로 이동하면서 음이온교환막은 통과하나 양이온교환막은 통과하지 못해 농축부에 남아 있게 된다. 그리하여 농축부에서는 양이온과 음이온이 계속 축적되어 농축이 일어나고 이웃한 담수부(희석실)에서는 양이온과 음이온이 계속 빠져나가게 되어 탈염이 일어나는 원리로 담수를 생산할 수 있다.
상기 염 포함 용액은 해수, 폐수 등 양이온 또는 음이온을 포함하는 용액일 수 있다.
따라서, 본 발명의 담수화 장치는 음용수를 생산하기 위한 해수 담수화뿐만 아니라, 리튬 분리를 위한 폐전지 재활용 분야, 폐수 처리 분야 등 탈염 공정이 필요한 분야라면 제한 없이 사용할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예의 증산 발전 모듈부의 제조예, 비교예 및 실험예를 통해 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 하지만 본 발명이 하기 제조예에 한정되는 것은 아니다.
<제조예>
먼저, 길이 30 mm, 직경 7.7 mm를 갖는 셀룰로오스 필터(Cellulose filter)를 준비하여, 케첸 블랙 카본 용액에 길이의 1/10씩 양쪽 모서리를 10 초 동안 담구어 흡착 물질을 코팅한 후, 한쪽에 CaCl2(3.3 mol/L) 0.1ml를 뿌려 컬럼형 증산 발전기를 제조하였다.
<비교예1>
2차원 면상의 코튼 패브릭(Cotton fabric)을 준비하여 상기 제조예와 동일한 방법으로 흡착 물질을 코팅하여 비교예 1을 제조하였다.
<비교예2>
상기 비교예 1에서, 상기 2차원 면상의 코튼 패브릭 대신에, 셀룰로오스 스폰지(Cellulose sponge)를 이용한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 상기 비교예 2를 제조하였다.
<실험예>
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼형 증산 발전기 윗면의 SEM 이미지이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼형 증산 발전기 옆면의 SEM 이미지이다.
상기 도 8 내지 도 9를 참조하면, 셀룰로오스 컬럼의 개략적 형태를 확인할 수 있고, 또한 셀룰로오스 컬럼이 제조된 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 제조예 및 비교예에서 제조된 증산 발전기를 이용하여 전류 및 전압을 측정하는 실험을 진행하였다.
도 10은 본 발명의 제조예를 이용한 컬럼형 증산 발전기의 전류 및 전압을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 비교예 1을 이용한 증산 발전기의 전류 및 전압을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 비교예 2를 이용한 증산 발전기의 전류 및 전압을 측정하여 나타낸 그래프이다.
상기 도 10 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼형 증산 발전기는 전압 0.3 V 및 전류 300 μA 값을 갖는 것을 확인할 수 있으며, 이는 비교예 및 종래 기술보다 약 10배 이상의 전기를 생산 가능한 특징을 갖는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 담수화 장치는 공기 중의 습도를 활용한 증산 발전 모듈을 이용하므로 친환경적이면서도 장소 제한성을 탈피한 지속 가능한 전력 생산이 가능하여 전력이 들어오지 않는 열악한 환경에서도 담수를 생산할 수 있다.
또한, 증산 발전 모듈과 일체형으로 제작된 담수화 장치는 도선을 최소화하므로 에너지 손실 없이 효율적으로 담수를 생산할 수 있다.
또한, 증산 발전 모듈부에 컬럼형 증산 발전기를 포함함으로써, 물 전기 분해에 충분한 전력을 공급할 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
<부호의 설명>
10: 증산 발전 모듈부
11: 컬럼형 증산 발전기
20: 수소 생성부
23: 전기 분해부
25: 수소 저장부
30: 담수화 모듈부
31: 양극
33: 음극
35: 양이온 교환막
36: 음이온 교환막
37: 담수부
38: 농축부

Claims (17)

  1. 증산 발전에 의해 전력을 생산하는 증산 발전 모듈부; 및
    상기 생산된 전력을 이용하여 물을 전기분해하는 수소 생성부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용한 수소 생산 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 증산 발전 모듈부는,
    흡착 물질이 코팅된 친수성 나노 섬유 컬럼(column);을 포함하는 컬럼형 증산 발전기를 포함하되,
    상기 나노 섬유 컬럼은,
    복수 개의 나노 섬유 가닥들을 포함하되, 상기 복수 개의 나노 섬유 가닥들이 길이 방향으로 평행하게 배열되어 섬유 다발을 형성한 형태이고,
    상기 나노 섬유 컬럼의 일단에서 상기 흡착 물질에 극성 용매가 흡착되며 발생하는 표면 에너지 변화로 인한 상기 극성 용매가 흡착되지 않은 상기 나노 섬유 컬럼의 타단과의 에너지 차이로 발생하는 기전력으로 인해 전기 에너지가 생성되며,
    상기 나노 섬유 컬럼의 나노 섬유 가닥의 흡수력에 의해 극성 용매가 상기 나노 섬유 컬럼의 일단에서 타단으로 확산되며 상기 극성 용매가 함유하는 수소 이온(proton)이 함께 이동함에 따라 유발되는 전류로 인해 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용한 수소 생산 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 흡착 물질은,
    수퍼 C(Super C), 기상탄화탄소섬유, 케첸 블랙, 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 다중벽탄소나노튜브 및 메조기공탄소 중 어느 하나로 이루어진 전도성 탄소 물질인 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용한 수소 생산 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 친수성 나노 섬유는,
    셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 하이드록시 에틸셀룰로오스(hydroxyl ethylcellulose), 카복시메틸셀룰로오스(carboxymethyl cellulose), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose) 및 카르복시메틸 에틸셀룰로오스(carboxymethyl ethylcellulose)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용한 수소 생산 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 극성 용매가 흡착되는 상기 나노 섬유 컬럼의 일단에는 흡습제가 도포되어, 상기 흡습제가 대기 중의 수분을 흡수하여 상기 수분이 극성 용매의 역할을 함으로써 대기 중에서도 지속적인 전력 생산이 가능한 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용한 수소 생산 장치.
  6. 증산 발전에 의해 전력을 생산하는 증산 발전 모듈부; 및
    상기 생산된 전력을 이용하여 전기 투석 담수화를 수행하는 담수화 모듈부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용한 담수화 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 증산 발전 모듈부는,
    상기 담수화 모듈부의 양극 또는 음극을 대체하여 일체형으로 제작됨으로써 상기 증산 발전 모듈에서 생산된 전력의 손실을 방지하는 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용한 담수화 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 증산 발전 모듈부는,
    흡착 물질이 코팅된 친수성 나노 섬유 컬럼(column);을 포함하는 컬럼형 증산 발전기를 포함하되,
    상기 나노 섬유 컬럼은,
    복수 개의 나노 섬유 가닥들을 포함하되, 상기 복수 개의 나노 섬유 가닥들이 길이 방향으로 평행하게 배열되어 섬유 다발을 형성한 형태이고,
    상기 나노 섬유 컬럼의 일단에서 상기 흡착 물질에 극성 용매가 흡착되며 발생하는 표면 에너지 변화로 인한 상기 극성 용매가 흡착되지 않은 상기 나노 섬유 컬럼의 타단과의 에너지 차이로 발생하는 기전력으로 인해 전기 에너지가 생성되며,
    상기 나노 섬유 컬럼의 나노 섬유 가닥의 흡수력에 의해 극성 용매가 상기 나노 섬유 컬럼의 일단에서 타단으로 확산되며 상기 극성 용매가 함유하는 수소 이온(proton)이 함께 이동함에 따라 유발되는 전류로 인해 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용한 담수화 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 흡착 물질은,
    수퍼 C(Super C), 기상탄화탄소섬유, 케첸 블랙, 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 다중벽탄소나노튜브 및 메조기공탄소 중 어느 하나로 이루어진 전도성 탄소 물질인 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용한 담수화 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 친수성 나노 섬유는,
    셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 하이드록시 에틸셀룰로오스(hydroxyl ethylcellulose), 카복시메틸셀룰로오스(carboxymethyl cellulose), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose) 및 카르복시메틸 에틸셀룰로오스(carboxymethyl ethylcellulose)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용한 담수화 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 극성 용매가 흡착되는 상기 나노 섬유 컬럼의 일단에는 흡습제가 도포되어, 상기 흡습제가 대기 중의 수분을 흡수하여 상기 수분이 극성 용매의 역할을 함으로써 대기 중에서도 지속적인 전력 생산이 가능한 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용한 담수화 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 극성 용매가 흡착되는 상기 나노 섬유 컬럼의 일단에는 흡습제가 도포되어, 상기 흡습제가 대기 중의 수분을 흡수하여 상기 수분이 극성 용매의 역할을 함으로써 대기 중에서도 지속적인 전력 생산이 가능한 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용한 담수화 장치.
  13. 제6항에 있어서, 상기 담수화 모듈부는,
    양극 및 음극; 및
    상기 양극 및 음극 사이에 교대 배치되는 한 쌍 이상의 양이온 교환막 및 음이온 교환막;을 포함하고,
    상기 음이온 교환막과 상기 음극 사이 영역 및 상기 양이온 교환막과 상기 양극 사이 영역이 농축수가 생성되는 농축부로 형성되는 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용한 담수화 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 증산 발전 모듈부는,
    상기 담수화 모듈부의 어느 하나의 농축부의 상기 양극 또는 음극을 대체하여 일체형으로 제작되어 상기 증산 발전 모듈에서 생산된 전력의 손실을 방지하는 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용한 담수화 장치.
  15. 제13항에 있어서, 상기 증산 발전 모듈부는,
    상기 극성 용매로 상기 담수화 모듈부에서 생성된 농축수를 이용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용한 담수화 장치.
  16. 증산 발전에 의해 전력을 생산하는 증산 발전 모듈부; 및 상기 생산된 전력을 이용하여 물을 전기분해하는 수소 생성부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용한 수소 생산 장치를 이용한 수소 생산 방법에 있어서,
    상기 증산 발전 모듈부에서 전력을 생산하는 단계; 및 상기 생산된 전력을 이용하여 상기 수소 생성부에서 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용한 수소 생산 방법.
  17. 증산 발전에 의해 전력을 생산하는 증산 발전 모듈부; 및 상기 생산된 전력을 이용하여 전기 투석 담수화를 수행하는 담수화 모듈부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용한 담수화 장치를 이용한 담수화 방법에 있어서,
    상기 증산 발전 모듈부에서 전력을 생산하는 단계; 및
    상기 생산된 전력을 이용하여 상기 담수화 모듈부에서 염 포함 용액을 전기 투석하여 담수를 생산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증산 발전을 이용하는 담수화 방법.
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