KR101137042B1 - 축전 탈 이온화 장치, 이를 이용한 축전 탈 이온화 방법 및이를 이용한 담수화 장치, 폐수 처리 장치 - Google Patents

Abstract

축전 탈 이온화 장치, 이를 이용한 축전 탈 이온화 방법 및 이를 이용한 담수화 장치, 폐수 처리 장치가 제공된다.

본 발명의 축전 탈 이온화 장치는 상기 양전극, 음전극 및 분리판을 포함하는 축전 탈 이온화 장치에 있어서, 상기 양전극 및 음전극은 유입되는 이온 함유 용액 이동 방향에 수직하며, 상기 이온 함유 용액은 상기 양전극 및 음전극을 투과하는 것을 특징으로 하며, 축전 탈 이온화 공정 시 폐수 또는 염수와 전극의 상대적 접촉면적을 증가시켜 제염 또는 이온 흡착 성능을 향상시킬 수 있고, 전극 재생 시 유체가 전극의 기포를 직접 통과, 효과적인 전극 재생을 유도하여 전극 재생시간을 단축시키며, 장치의 유지 및 관리를 쉽게 제어할 수 있는 효과가 있다.

Description

축전 탈 이온화 장치, 이를 이용한 축전 탈 이온화 방법 및 이를 이용한 담수화 장치, 폐수 처리 장치{Capacitive deionization device, Method for capacitively deionizing, and Desalination apparatus, Wastewater treatment apparatus using the same}

본 발명은 축전 탈 이온화 장치, 이를 이용한 축전 탈 이온화 방법 및 이를 이용한 담수화 장치, 폐수 처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 축전 탈 이온화 공정 시 폐수 또는 염수와 전극의 상대적 접촉면적을 증가시켜 제염 또는 이온 흡착 성능을 향상시킬 수 있고, 전극 재생 시 유체가 전극의 기포를 직접 통과, 효과적인 전극 재생을 유도하여 전극 재생시간을 단축시키며, 장치의 유지 및 관리를 쉽게 제어할 수 있는 효과가 있는 축전 탈 이온화 장치, 이를 이용한 축전 탈 이온화 방법 및 이를 이용한 담수화 장치, 폐수 처리 장치에 관한 것이다.

최근 수질환경 오염과 물 부족에 대한 사회적 관심이 고조되면서 과거 대형 선박에서 사용되었던 염수담수화를 포함한 다양한 수처리기술들의 응용 및 조합시스템, 이의 고효율화 기술개발이 진행되고 있다. 이러한 수처리기술은 크게 증발증류나 역삼투막 분리와 같은 물리적 처리방법, 생물분해 또는 화학적 산화 및 침전 과 같은 생화학적 처리방법, 전기투석 또는 이온교환 등과 같은 전기화학적 처리방법으로 분류할 수 있는데, 특히 현재 상업적으로 주로 이용하고 있는 담수화 기술로 증발법과 막분리법, 그리고 이온교환 방법을 들 수 있다.

상기 방법 중 전기화학적 처리 방법의 일 예인 축전 탈 이온화(CDI) 공정은 미국 캘리포니아의 로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)의 Joseph C. Farmer에 의해 처음 개발되었으며, 이는 다공성의 탄소전극을 스택(stack) 형태로 구성함으로써 물에 포함된 불순물 또는 염을 제거할 수 있는 원리에 기초한 공정이다(Lawrence W. Hrubesh, Journal of Non-Crystalline Solids, 225 (1998) 335; J. C. Farmer et al., Journal of Non-Crystalline Solids, 225 (1998) 74). 상기 방법은 염수와 같이 양이온, 음이온이 포함된 용액이 두 개의 다공성 탄소전극 층의 사이를 통과할 때 정전기력을 인가함으로써 물속에 포함된 이온이 제거되며, 정전기력에 의하여 양극(positive electrode)으로 Cl^-와 같은 음이온, 음극(negative electrode)으로는 Na⁺와 같은 양이온이 이동하여 대전이 이루어지게 되며, 물은 이온이 제거된 순수 형태로 배출되게 된다.

현재까지 소금 성분 또는 중금속 등을 포함하는 물의 정화를 위해서 여러 가지 종류의 방법 중, 이온교환수지(Ion exchangeresin)를 이용한 방법이 많이 사용되고 있다. 그러나 이온교환수지를 사용하는 방법은 수지의 재생 시 산이나 염기성 용액을 사용해야 하고, 대용량의 물을 처리하기 위해서 많은 량의 폴리머 수지와 화학약품을 사용해야 하므로 비경제적인 단점이 있다. 따라서, 전기적 방식의 축전 탈 이온화 공정은 용액내의 이온을 효과적으로 제거하면서도 재생이 간단하고 재료가 차지하는 비중이 적기 때문에 경제적이고 효과적인 공정이라 할 수 있다.

하지만, 일반적으로 축전 탈 이온화 방식은 증발법 및 막여과법(RO, ED 등)에 비해 담수화에 소모되는 에너지가 작은 장점이 있지만, 현재로서는 기술상의 한계로 인해 해수와 같이 높은 농도를 가지는 대용량의 염수의 담수화, 폐수 처리에는 적합하지 않다는 단점이 있으며, 다시 재생과정을 거쳐야하므로, 비효율적이다는 문제 또한 있다.

도 1은 대한민국 공개특허공보 2002-0076629호에 개시된 전기흡착 방식의 담수화 장치의 모식도이다.

도 1을 참조하면, 이온을 함유하는 해수와 같은 유체가 양전극 또는 음전극 사이의 채널을 통과하며, 이 과정에서 이온이 흡착되는 것을 알 수 있다. 하지만, 이 경우 대용량의 해수를 처리하기 위해서는 무한히 큰 표면적의 전극을 사용하여야 하는데, 이는 현실적으로 불가능하므로, 이러한 용량 제한이 축전 탈 이온화 장치의 큰 한계로 작용하여 왔다.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 종래 기술에 비하여 보다 높은 효율을 갖는 새로운 구조의 축전 탈 이온화 장치를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 종래 기술에 비하여 보다 높은 효율을 달성할 수 있는 새로운 방식의 축전 탈 이온화 방법을 제공하는 데 있다.

또한 본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는 상기 축전 탈 이온화 장치를 이용한 활용 방법을 제공하는 데 있다.

상기 첫 번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 양전극, 음전극 및 분리판을 포함하는 축전 탈 이온화 장치에 있어서, 상기 양전극 및 음전극은 유입되는 이온 함유 용액 이동 방향에 수직하며, 상기 이온 함유 용액은 상기 양전극 및 음전극을 투과하는 것을 특징으로 하는 축전 탈 이온화 장치를 제공한다.

상기 양전극 및 음전극은 미세 기공 구조를 가지며, 상기 미세 기공을 통하여 이온 함유 용액이 투과되며, 상기 양전극 및 음전극은 활성 탄소로 이루어지거나, 니켈 폼을 포함할 수 있고, 상기 활성 탄소의 비표면적은 1000 내지 1500m²/g일 수 있다.

또한, 상기 양전극 및 음전극은 상기 분리판에 의하여 분리되며, 복수 개의 양전극 및 음전극이 일정 간격으로 이격되어 반복되어, 적층된 구조일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 이온 함유 용액의 전극 투과 속도는 10 내지 100 ml/min 일 수 있다.

상기 두 번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 양전극 및 음전극을 이용한 축전 탈 이온화 방법에 있어서, 상기 축전 탈 이온화 방법은 상기 양전극 및 음전극에 이온 함유 용액을 투과시키는 방식으로 상기 이온을 상기 전극에 흡착시키는 것을 특징으로 하는 축전 탈 이온화 방법을 제공한다.

상기 이온 함유 용액의 투과는 상기 양전극 및 음전극에 형성된 미세 기공을 통하여 수행될 수 있으며, 상기 양전극 및 음전극은 활성 탄소로 이루어지거나, 니켈 폼을 포함할 수 있고, 활성 탄소의 비표면적은 1000 내지 1500m²/g일 수 있다.

상기 세 번째 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 상기 축전 탈 이온화 장치를 이용한 담수화 장치 또는 폐수 처리 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 축전 탈이온화 장치는 축전 탈 이온화 공정 시 폐수 또는 염수와 전극의 상대적 접촉면적을 증가시켜 제염 또는 이온 흡착 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 전극 재생시 유체가 전극의 기포를 직접 통과, 효과적인 전극 재생을 유도하여 전극 재생시간을 단축시키며, 장치의 유지 및 관리를 쉽게 제어할 수 있는 효과가 있다.

이하 도면 및 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 하지만, 아래의 도면 및 실시예 등을 통하여 예시되는 구체적인 구성은 본 발명을 모두 예시하기 위한 것일 뿐, 이에 본 발명의 범위가 제한되거나, 한정되지 않는다.

종래의 축전 탈 이온화 장치는 전극 표면을 흐르는 유체와 전극간의 접촉을 통한 이온 흡착 방식이었으며, 이는 도 1을 통하여 설명한 바와 같다. 하지만, 이 경우 전체적인 흡착은 전극의 표면에만 이루어지므로, 대용량의 이온 흡착을 하기위해서는, 전극의 단면적을 무한히 증가시켜야 하는 문제가 있었다. 또한 축전 탈 이온화 장치에는 필수적인 전극 재생 단계에서 전기화학적인 방식으로만 이온을 탈착시키므로, 재생시간이 상대적으로 오래 걸리는 문제가 있었다.

본 발명자는 이러한 문제를 상기 이온-함유 유체가 투과될 수 있는 전극을 상기 축전 탈 이온화 장치에 적용함으로써 해결하였는데, 이하 도면 및 실험예를 통하여 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 축전 탈 이온화 장치의 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 축전 탈 이온화 장치에 사용되는 전극 집합체 는 전극(1,2)과 분리기(3)를 포함한다. 또한, 각 전극의 상/하부 프레임에는 전압인가를 위한 돌기부가 형성되어 있으며, 상이한 극성을 갖는 전극(즉, 양전극 및 음전극)이 교대로 배치되며 각 전극의 사이에는 분리기가 구비된다. 본 발명은 특히 상기 전극 및 분리기를 해수 또는 폐수와 같은 이온 함유 용액이 투과되는 미세 기공 구조로 한다. 이로써, 종래 기술과 같이 표면에서만 이루어지는 이온 흡착은 전극 내부까지 확장하였으며, 이는 단순히 이온 흡착 면적의 증가뿐만 아니라, 내부로 흐르는 용액에 의한 이온 탈착 속도 증가라는 효과를 발생시킨다. 즉, 앞서 기술한 바와 같이 기존의 축전 탈 이온화 장치는 전극 표면과 염수의 흐름 방향이 평행한 구성으로 전극이 배치되어 있어, 이온의 제거를 하는 데 있어 확산에만 의존하였으나, 본 발명에서는 전극 표면이 염수의 흐름 방향과 수직이 되도록 함으로써 염수가 전극을 직접 통과하여 재생 효율(즉, 이온 탈착 효율)을 높이도록 하였다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 전극과 분리기는 유체가 통과할 수 있는 미세 기공을 갖는 다공성 물질로 이루어지며, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 전극 재료로 활성 탄소를, 또 다른 일 실시예에서는 상기 전극 재료로 니켈 폼을 사용한다. 특히 활성 탄소는 니켈 폼에 비하여 100배 수준의 비표면적을 가지므로 높은 탈 이온 효과를 기대할 수 있으므로, 더욱 바람직하다. 또한 활성탄소로 전극 재료를 사용하는 경우 이온 함유 용액의 전극 투과 속도는 상기 이온 함유 용액의 전극 투과 속도는 10 내지 100ml/min인 것이 바람직한데, 만약 상기 범위 미만인 경우는 충분한 이온 흡착 효과를 달성하기 어렵고, 반대로 상기 범위를 초과하는 경우는 표면 또는 전극 내에 흡착된 이온이 전극으로부터 다시 떨어질 수 있다는 문제가 있다. 또한, 활성 탄소를 전극으로 사용하는 경우 미세 기공 크기는 2 내지 30nm가 바람직한데, 만약 상기 범위 미만인 경우 충분한 투과 효과를 달성하기 어렵고, 반대로 상기 범위를 초과하는 경우는 충분한 비표면적을 얻을 수 없기 때문이다. 하 지만, 전극 자체의 구조에 따르 충분한 비표면적을 달성하는 경우라며, 수백 nm크기의 기공 크기를 가진 탄소물질을 사용할 수 있으며, 이는 본 발명의 범위에 속한다.

도 3은 본 발명의 전극집합체의 전체적인 모습을 나타내는 모식도이다.

도 3을 참조하면, 유체가 전극을 관통하는 특징을 갖는 상기 전극 집합체의 모양을 유지시키기 위하여 상기 전극집합체에는 지지체(6)가 구비되며, 또한 폐수 또는 해수의 유입을 위한 유입구(7)가 구비된다. 상기 지지체 양 단부 사이에는 전극(5)과 분리기(4)가 교대로 배치되어 있다. 또한, 각 전극의 상, 하부 프레임에는 전압인가를 위한 돌출부(8)가 지지체 밖으로 형성되어 있다. 또한 상기 전극집합체의 전극은 유체 유동이 수직으로 투과할 수 있도록 활성 탄소 등과 같은 다공성 재료를 사용한다.

이와 같은 구조의 전극집합체를 갖는 축전 탈 이온화 장치는 염수의 담수화 공정 또는 이온을 함유하는 폐수의 처리 장치로 활용가능하며, 이외의 다양한 용도의 이온 제거에 사용될 수 있다.

이하 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

실시예 1

실시예 1-1

전극 물질

축전 탈 이온화 장치의 전극 물질로 Ni이 사용되었는데, 특히 이온 흡착 효율 향상 및 유체의 직접적인 통과를 위해, 상기 전극을 다공성 구조의 금속 폼(foam) 형태로 제작하여 사용하였다. 상기 전극 시트는 11.5x11.5 cm²로 제단하였으며 집전체인 니켈 폼과의 단락을 방지하기 위하여 부직포를 사용한 분리기도 동일한 크기로 제작하였다. 상기 금속(니켈) 폼은 110ppi(pore per inch)이었다. 하지만, 상기 전극 물질로 다양한 물질이 사용될 수 있으며, 특히 활성 탄소와 같은 다공성 물질이 매우 효과적으로 사용될 수 있다.

실시예 1-2

장치 제조

상술한 바와 같이 동일한 두 장의 니켈 전극 사이의 단락을 방지하고, 전극의 사이가 동일한 간격을 유지시키기 위한 분리막으로 부직포를 사용하였다. 전압을 인가해주기 위한 전극은 정사각형 형태의 전극집합체의 서로 맞은편 모서리의 중앙에 배치된 전극봉에 집전체가 직접 접촉하여 전압을 인가받는 형식으로, 각각의 집전체의 한쪽 모서리에는 돌기부가 형성되어 있어 이 부분을 전극봉에 끼워넣는 형식으로 제작하였다(도 4 참조). 또한 전극집합체 내에서의 전극, 집전체 그리고 분리기는 한 장씩 번갈아 배치되었으며(도 5 참조), 총 176장의 전극이 사용되었다. 전극집합체 내의 최종 배치가 끝난 후에는 열화 에폭시로 마감하여 유체의 누출이 발생하지 않게 하였으며, 그 결과 도 7에서 도시된 최종 축전 탈 이온화 장 치의 전극 집합체가 제조되었다. 이후, 상기 전극집합체의 양단부에는 유체가 들어오고 나갈 수 있도록 배출구가 구비되며, 상기 전극집합체 하부에는 실험 후 장치 내에 들어있는 유체를 제거하기 위한 배출구가 형성되어 있다. 하부에 위치한 배출구를 제외한 양 끝단의 배출구는 최종적으로 하나의 관으로 연결되어 있으며 이 관의 양단부는 실험을 위한 유체의 출입이 가능할 수 있도록 뚫려있으나, 각각의 위치마다 밸브가 장치되어 있어 유로의 자유로운 제어가 가능하다. 전극집합체는 지면과 수평한 방향으로 장치되어 있으며 부수적인 장치들로는 펌프와 전원장치(도 6 참조)가 사용되었다.

실험예 1

실험방법

본 실험에서는 유체가 전극을 직접 통과하는 방식으로 실험하였다. 염수의 농도가 500uS일 때, 유속의 유무에 따른 실험을 실행하였고, 유속이 일정할 때, 118uS, 466uS 그리고 946uS에서의 실험을 하여 제염성능을 보이는지에 대한 실험을 하였다. 본 실험에서 유속은 50ml/min으로 고정하였고, 전압은 1.0V, 각 실험은 60분을 기준으로 상온에서 이루어졌다.

실험예 1-1

기전력 측정(118 uS , 466 uS , 946 uS )

도 8 내지 10은 각각 염수 농도가 118uS, 466uS 그리고 946uS일 때의 기전력 을 나타내는 그래프이다.

도 8 내지 10을 참조하면, 시간 경과에 따라 염수 이온이 전극에 흡착되어 제거되는 효과를 명확히 알 수 있다.

실험예 1-2

농도 측정(118 uS , 466 uS , 946 uS )

도 11 내지 13은 각각 본 발명에 따른 축전 탈 이온화 장치를 거친 후의 염수 농도를 측정한 그래프이다.

도 11 내지 13을 참조하면, 상기 실험예 1-1과 유사하게, 염수 농도가 현저히 감소하는 것을 알 수 있다. 상기 결과는 특히 투과형의 전극을 사용하는 경우, 충분한 이온 제거효과가 달성할 수 있다는 것을 의미하며, 이는 본 발명에 따른 축전 탈 이온화 장치는 담수화 장치 및 폐수 처리 장치에 효과적으로 이용할 수 있다는 것을 나타낸다.

도 1은 대한민국 공개특허공보 2002-0076629호에 개시된 전기흡착 방식의 담수화 장치의 모식도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 축전 탈 이온화 장치의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 전극집합체의 전체적인 모습을 나타내는 모식도이다.

도 4 내지 7은 본 발명에 따른 전극집합체 제조 공정을 나타내는 사진이다.

도 8 내지 10은 각각 염수 농도가 118uS, 466uS 그리고 946uS일 때의 기전력을 나타내는 그래프이다.

도 11 내지 13은 각각 본 발명에 따른 축전 탈 이온화 장치를 거친 후의 염수 농도를 측정한 그래프이다.

Claims (14)

1. 양전극 및 음전극을 포함하는 축전 탈 이온화 장치에 있어서,

   상기 양전극 및 음전극은 미세 기공 구조를 가지며, 유입되는 이온 함유 용액 이동 방향에 수직하며, 상기 이온 함유 용액은 상기 양전극 및 음전극의 미세 기공을 관통하여, 투과하는 것을 특징으로 하는 축전 탈 이온화 장치.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 양전극 및 음전극은 활성 탄소로 이루어진 것을 특징으로 하는 축전 탈 이온화 장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 양전극 및 음전극은 니켈 폼을 포함하는 것을 특징으로 하는 축전 탈 이온화 장치.
5. 제 3항에 있어서,

   상기 활성 탄소의 비표면적은 1000 내지 1500m²/g인 것을 특징으로 하는 축전 탈 이온화 장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 양전극 및 음전극은 분리판에 의하여 분리되며, 복수 개의 양전극 및 음전극이 일정 간격으로 이격되어 반복되어, 적층된 것을 특징으로 하는 축전 탈 이온화 장치.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 이온 함유 용액의 전극 투과 속도는 10 내지 100ml/min인 것을 특징으로 하는 축전 탈 이온화 장치.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제

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