KR101295001B1 - Apparatus for separating/concentrating seawater electrolyte, hydrogen producing apparatus using seawater electrolyte in photoelectrochemical cell - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다양한 이온 성분을 갖는 자연 해수 또는 해수 전해질 분리/농축장치에 의해 농축된 해수를 전해질로 이용하는 광전기화학적 수소제조장치와 수소제조방법을 제공한다. 본 발명은 금속 티타늄 지지체의 표면에 광촉매 티타니아(TiO2)가 양극산화에 의해 튜브형으로 적층되고 빛에 노출되도록 형성된 티타니아 광애노드와, 해수 전해질을 수용하며 티타니아 광애노드가 침지되는 애노드 전해질부와, 백금 소재로 이루어져 수소를 발생시킬 수 있게 되는 캐소드와, 해수 전해질을 수용하며 캐소드가 침지되는 캐소드 전해질부와, 애노드 전해질부와 캐소드 전해질부 사이에 개재되어 애노드 전해질부와 캐소드 전해질부 사이에 이온 교환이 이루어질 수 있게 하는 나노여과 멤브레인과, 티타니아 광애노드와 캐소드에 도선으로 연결되며 빛에 노출되도록 형성된 솔라셀에 의해 수소를 제조한다.The present invention provides a photoelectrochemical hydrogen production apparatus and a hydrogen production method using seawater concentrated by natural seawater or seawater electrolyte separation / concentration devices having various ionic components as electrolytes. The present invention provides a titania photoanode formed in such a way that the photocatalyst titania (TiO 2 ) is stacked in a tubular shape by anodization and exposed to light, and an anode electrolyte portion containing a seawater electrolyte and in which a titania photoanode is immersed; A cathode made of platinum material, capable of generating hydrogen, a cathode electrolyte portion accommodating a seawater electrolyte, and having a cathode immersed therebetween, interposed between the anode electrolyte portion and the cathode electrolyte portion and ion exchanged between the anode electrolyte portion and the cathode electrolyte portion Hydrogen is produced by a nanofiltration membrane that enables this to be achieved, and a solar cell that is connected to the titania photoanode and cathode by conducting wires and formed to be exposed to light.
Description
본 발명은 수소 제조에 관한 것으로서, 특히 다양한 이온 성분을 갖는 해수를 전해질로 사용하여 수소를 제조하기 위해 해수 전해질을 분리/농축하는 장치와, 해수 전해질을 광전기화학 셀에 공급하여 광화학 반응을 통해 수소를 제조하는 해수 전해질을 이용하는 광전기화학적 수소제조장치 및 방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE
산업혁명 이후의 급속한 공업화는 석탄 및 석유와 같은 화석연료를 에너지원으로 하여 이루어졌으나, 화석연료의 과도한 사용은 이산화탄소의 발생으로 지구 온난화를 초래하게 됨으로써 각종 환경 문제를 유발하고 있을 뿐만 아니라, 제한적인 매장량으로 인해 새로운 대체 에너지원의 개발이 시급한 실정이다.Rapid industrialization after the Industrial Revolution was accomplished by fossil fuels such as coal and petroleum as energy sources, but excessive use of fossil fuels caused global warming due to the generation of carbon dioxide. Due to reserves, the development of new alternative energy sources is urgent.
이러한 대체 에너지원으로서 수소는 종래의 화석연료와 같이 저장이 용이하고, 물이나 유기물질로부터 제조될 수 있으며, 공해 발생이 거의 없기 때문에, 세계 각국은 수소를 효율적으로 제조하는 동시에 간편하게 저장할 수 있는 방법을 개발하기 위해 각축을 벌이고 있다.As an alternative energy source, hydrogen can be easily stored like conventional fossil fuels, can be produced from water or organic materials, and has almost no pollution. Therefore, countries around the world can efficiently produce and easily store hydrogen. It is struggling to develop
수소를 제조함에 있어서, 향후 수소경제가 도래하는 시기에 궁극적인 원료는 물이 될 것으로 예상되고 있으며, 전기분해 또는 광화학적 수소제조공정이 필요하게 될 것이다. 그런데, 물분해를 통한 수소제조공정에는 대량의 수자원의 투입이 이루어져야 하기 때문에 전세계적인 물부족 사태를 야기할 수도 있다는 예측이 나오고 있다.In producing hydrogen, the ultimate raw material is expected to be water in the coming years of the hydrogen economy, and electrolysis or photochemical hydrogen production processes will be required. However, the hydrogen production process through water decomposition is expected to cause a global water shortage because a large amount of water must be input.
현재 지구 전체의 물 사용량은 음용수와 농업용수 및 공업용수를 포함하여 약 272조 리터로 추산되며, 수소경제가 도래할 2030년대의 물 소비량은 이보다 최대 두 배에 이를 것으로 예상된다. 따라서, 지구의 전체 수자원 중 약 2∼3%에 해당하는 담수 자원만을 수소제조용 원료로 사용하게 되면 물부족 현상은 분명히 현실화될 것이기 때문에, 자연에 존재하는 가장 풍부한 자원인 해수(海水)를 원료로 하는 수소제조공정이 필요하다.At present, the global water consumption is estimated at about 272 trillion liters, including drinking water, agricultural water and industrial water, and the water consumption in the 2030s, when the hydrogen economy will come, is expected to be up to twice that. Therefore, if only 2 ~ 3% of the fresh water resources of the earth's total water resources are used as raw materials for hydrogen production, the water shortage phenomenon will become a reality. Therefore, the seawater, which is the most abundant resource in nature, Hydrogen production process is required.
현재도 일부 전기분해 공정에서 해수로부터 수소를 제조하거나 부산물을 얻는 공정이 이용되고는 있으나, 효율이 낮고, 전기를 별도의 에너지원으로 필요로 한다는 단점이 있다. 또한, 자연에너지원인 태양광을 이용한 광화학적 수소제조방법도 있는데, 이는 순수 물분해에 의한 효율이 떨어지므로 다양한 첨가물을 통해 그 효율을 높이고 있다. 한편, 해수 중에는 다양한 이온성분이 존재하므로, 이를 광화학적 수소제조용 전해질로 이용한다면 향후 수소제조에 필요한 수자원의 효과적인 활용에 크게 기여하게 될 것으로 예상된다.At present, some electrolysis processes are used to produce hydrogen from seawater or to obtain by-products. However, there are disadvantages of low efficiency and requiring electricity as a separate energy source. In addition, there is also a photochemical hydrogen production method using the sunlight as a natural energy source, because the efficiency is reduced by the pure water decomposition is increasing its efficiency through various additives. On the other hand, since there are various ionic components in seawater, it is expected that if used as an electrolyte for photochemical hydrogen production, it will greatly contribute to the effective utilization of water resources required for hydrogen production in the future.
최근 에너지 문제와 함께 전 세계적으로 음용수 및 산업용수의 확보를 위해 해수담수화를 기술이 크게 주목받고 있다. 우리나라의 경우도 이러한 문제를 극복하기 위해 해수담수화기술 개발을 진행 중에 있다. 해수담수화 방법에는 증발법, 전기투석법, 멤브레인 공정 등을 이용하게 되는데, 해수 중의 염분을 분리하기 위하여 많은 에너지를 소모하게 된다. 따라서, 해수담수화 방법 중 상대적으로 에너지 소모가 낮은 멤브레인 공정을 이용한 방법을 채택하는 것이 최근의 경향이다. 멤브레인에 의한 해수담수화 공정은 고압의 에너지를 가하여 해수 중의 이온성분을 탈염(desalting)하여 담수화하는 과정을 거치는데, 이때 필연적으로 고농도의 염분을 함유한 농축수가 발생하게 되며 이를 해안에 방류할 경우 2차적인 해안 생태계 오염의 문제가 야기될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 농축된 해수성분을 활용하는 방안에 대한 연구들이 진행 중이며, 해수담수화 과정에서 발생한 농축방류수를 광전기화학적 수소 제조 방법(궁극적으로는, 태양광을 이용한 수소 제조 방법)과 연계하여 에너지를 생산할 경우 파급효과는 크다고 볼 수 있다.In recent years, seawater desalination technology has attracted much attention in order to secure drinking water and industrial water all over the world along with energy problems. In Korea, seawater desalination technology is under development to overcome this problem. The seawater desalination method uses an evaporation method, an electrodialysis method, a membrane process, etc., and consumes a lot of energy to separate salts in seawater. Therefore, it is a recent trend to adopt a method using a membrane process having a relatively low energy consumption among seawater desalination methods. The seawater desalination process by membrane is performed by desalting ions in seawater by applying high pressure energy, which inevitably produces concentrated water containing high concentrations of salts. Subsequent problems with coastal ecosystem pollution may arise. In order to solve this problem, researches on utilizing concentrated seawater components are underway, and the concentrated effluent generated during seawater desalination is linked with the photoelectrochemical hydrogen production method (ultimately, hydrogen production method using solar light). The ripple effect is great when energy is produced.
상기 태양광을 이용한 수소제조방법은 광촉매의 특성을 이용하게 되는데, 광촉매 활용기술은 기존에 환경오염물질의 처리에도 많이 사용되어 왔으며, 양성자(H+)를 환원시키는 특성과 태양광을 이용하여 수소제조에도 활용될 수가 있는 것이다.The hydrogen production method using the solar light is to use the characteristics of the photocatalyst, the photocatalyst utilization technology has been used a lot in the treatment of environmental pollutants in the past, by reducing the proton (H + ) and hydrogen by using sunlight It can be used in manufacturing.
상기 '광촉매'라는 용어는 '광반응을 가속시키는 촉매'를 지칭할 때 사용되는데, '광촉매'가 되기 위해서는 일반적인 '촉매'로서의 조건을 만족시켜야 함은 물론 반응에 직접 참여하여 소모되지 않아야 하고, 기존의 광반응과 다른 메카니즘 경로를 제공하여 반응속도를 가속시켜야 한다. 후자의 경우, 액티브 사이트(active site)당 생성물비(turn-over 비)가 1.0을 넘어야 한다는 것을 의미한다.The term 'photocatalyst' is used when referring to a 'catalyst for accelerating the photoreaction', and in order to become a 'photocatalyst', the condition as a general 'catalyst' must be satisfied as well as not directly consumed by participating in the reaction. The reaction rate should be accelerated by providing a mechanism path different from the existing photoreaction. In the latter case, this means that the turn-over ratio per active site must exceed 1.0.
이와 같이 광촉매가 광화학적 활성을 나타내기 위해서는 띠에너지 또는 띠간격에너지(Eg) 이상의 빛에너지가 필요한데, 이 에너지는 전자에 의해 점유된 가장 높은 에너지의 띠인 공유띠(valence band : VB)와, 전자에 의해 점유되지 않은 가장 낮은 에너지의 띠인 전도띠(conduction band : CB)의 차이로서, 전자가 점유할 수 없는 금지된 간격이며, 공유띠의 전자를 여기시켜 반응에 참여하는 전자/정공 쌍을 생성시킬 수 있는 최소의 에너지이다.In order for the photocatalyst to exhibit photochemical activity, light energy of more than the band energy or the band gap energy (E g ) is required, which is a valence band (VB), which is the band of the highest energy occupied by the electrons, The difference in conduction band (CB), the lowest energy band not occupied by electrons, is a forbidden interval that electrons cannot occupy, and excites the electrons / holes pairs in the Is the minimum energy that can be generated.
상기 띠간격에너지와 함께 중요한 것이 공유띠와 전도띠의 상대적 위치(세부적으로 이 띠들의 위치에 의하여 만들어지는 페르미 에너지(Ef))인데, 이 위치가 광촉매로부터 수용액 내 산화환원쌍(redox couple)으로의 전자 이동 및 전자 전달 여부를 결정하는 데에 중요한 역할을 담당하기 때문이다.Along with the band gap energy, what is important is the relative position of the covalent and conducting bands (Fermi energy (E f ), which is made in detail by the position of these bands), which is the redox couple in the aqueous solution from the photocatalyst. This is because it plays an important role in determining whether electrons move and transfer electrons.
상기와 같은 특성을 갖는 광촉매 물질로는 반도체 성질의 금속산화물들이 주로 사용되며, 그 예로는 삼산화텅스텐(WO3), 산화아연(ZnO), 탄화규소(SiC), 황화카드뮴(CdS), 갈륨비소(GaAs) 등이 있으나, 대개는 아나타제(anatase) 구조의 티타니아(TiO2)가 사용되고 있다. 이는 효율이 우수하고 비교적 저가이며, 공급이 원활하고 부식성이 없는 등의 안정성이 확인되었기 때문이다.
As photocatalyst materials having the above characteristics, semiconductor metal oxides are mainly used. Examples thereof include tungsten trioxide (WO 3 ), zinc oxide (ZnO), silicon carbide (SiC), cadmium sulfide (CdS), and gallium arsenide. (GaAs) and the like, but usually, titania (TiO 2 ) having an anatase structure is used. This is because stability, such as excellent efficiency, relatively low cost, smooth supply, and no corrosiveness has been confirmed.
본 발명은 광촉매를 이용하여 물 또는 수용액으로부터 수소를 제조하는 종래의 수소제조방법을 대신하여 보다 실질적으로 활용이 가능한 소수제조장치를 제공하기 위해 개발된 것으로서, 자연계에 존재하는 풍부한 자원인 해수 또는 해수의 농축된 이온성분을 활용하여 효율적이고 경제적으로 수소를 제조할 수 있게 되는 해수 전해질 분리/농축장치 및 해수 전해질을 이용하는 광전기화학적 수소제조장치와 수소제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
The present invention was developed to provide a hydrophobic production apparatus that can be more practically used in place of the conventional hydrogen production method for producing hydrogen from water or an aqueous solution using a photocatalyst, and is abundant resources of seawater or seawater existing in nature. It is an object of the present invention to provide a seawater electrolyte separation / concentration apparatus and a photoelectrochemical hydrogen production apparatus using a seawater electrolyte and a hydrogen production method that can produce hydrogen efficiently and economically by utilizing the concentrated ionic component of.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 자연 해수 중의 입자성 물질을 제거한 후 해수를 저류하는 해수 저류부와, 내부에 나노여과 멤브레인이 구비되어 해수 중의 이온 성분을 분리/농축하게 되는 멤브레인 셀과, 상기 해수 저류부로부터 멤브레인 셀로 해수를 공급하는 해수공급배관과 이 해수공급배관에 설치되어 공급 압력을 제공하는 고압 펌프를 구비한 해수 공급부와, 상기 멤브레인 셀에 의해 이온 성분이 분리되어 자연 해수보다 낮은 TDS(총용존 성분) 농도를 갖는 분리해수를 배출하는 분리해수 배출부와, 상기 멤브레인 셀에 의해 이온 성분이 농축되어 자연 해수보다 높은 TDS 농도를 갖는 농축해수를 상기 해수 저류부로 배출하는 농축해수 배출부를 포함하여 이루어진 해수 전해질 분리/농축장치를 제공한다.The present invention for achieving the above object is a seawater reservoir for storing seawater after removal of particulate matter in natural seawater, and a membrane cell which is provided with a nanofiltration membrane therein to separate / concentrate the ionic components in seawater, A seawater supply pipe having a seawater supply pipe for supplying seawater from the seawater reservoir to the membrane cell, and a high pressure pump installed at the seawater supply pipe to provide a supply pressure; Separated seawater discharge section for discharging the separated seawater having TDS (Total Dissolved Component) concentration, and concentrated seawater discharged for discharging concentrated seawater having a TDS concentration higher than natural seawater to the seawater storage section due to the concentration of ions by the membrane cell. It provides a seawater electrolyte separation / concentration device comprising a portion.
상기 해수 전해질 분리/농축장치에서 상기 해수 저류부는, 상기 자연 해수 중의 입자성 물질을 제거하는 필터를 구비하며 상기 해수를 저류하는 해수 저류조와, 이 해수 저류조에 침지되어 냉각수를 순환시키는 냉각수 순환 코일을 구비하여 해수 저류조 내의 해수 온도를 일정하게 조절하는 해수 온도 조절부를 포함한 구성으로 이루어질 수 있다.The seawater reservoir in the seawater electrolyte separator / concentrator includes a seawater storage tank including a filter for removing particulate matter in the natural seawater, and a cooling water circulation coil immersed in the seawater storage tank to circulate the coolant. It may be made of a configuration including a seawater temperature control unit for providing a constant control of the seawater temperature in the seawater storage tank.
또한, 상기 해수 공급부는, 상기 고압 펌프의 공급 압력으로 인한 해수공급배관의 진동을 제거하는 댐퍼와, 상기 해수공급배관을 통해 멤브레인 셀로 제공되는 해수의 공급 압력을 계측하는 해수공급 압력계와, 이 해수공급 압력계에 의해 계측되는 해수의 공급 압력이 급격하게 상승하는 경우 멤브레인 셀로 공급되는 해수를 해수 저류부로 우회시키는 안전밸브 및 바이패스 배관을 더 포함하여 구성될 수 있다.In addition, the seawater supply unit, a damper for removing the vibration of the seawater supply pipe due to the supply pressure of the high pressure pump, a seawater supply pressure gauge for measuring the supply pressure of the seawater provided to the membrane cell through the seawater supply pipe, and this seawater When the supply pressure of the seawater measured by the supply pressure gauge is sharply increased, it may further comprise a safety valve and bypass piping for bypassing the seawater supplied to the membrane cell to the seawater reservoir.
또한, 상기 분리해수 배출부는, 상기 분리해수가 멤브레인 셀로부터 외부로 배출되는 분리해수배관과, 이 분리해수배관에 설치되어 분리해수의 배출 압력과 유량을 각각 계측하는 분리해수 압력계 및 분리해수 유량계와, 상기 분리해수배관으로부터 분기되어 분리해수를 해수 저류부로 회수하는 분리해수 회수관과, 상기 분리해수배관으로부터 분기되어 분리해수를 샘플링할 수 있도록 하는 분리해수 샘플링부와, 상기 분리해수배관과 분리해수 회수관 및 분리해수 샘플링부의 분기 지점에 설치되어 분리해수의 유로를 변경하게 되는 분리해수 방향전환밸브를 포함하여 구성될 수 있다.The separated seawater discharge unit may further include: a separated seawater pipe through which the separated seawater is discharged to the outside from the membrane cell; and a separated seawater pressure gauge and a separated seawater flow meter installed in the separated seawater pipe to measure discharge pressure and flow rate of the separated seawater, respectively. And a separate seawater recovery pipe branched from the separated seawater pipe to recover the separated seawater to the seawater storage portion, and a separate seawater sampling unit for branching from the separated seawater pipe to sample the separated seawater, and the separated seawater pipe and the separated seawater. It may be configured to include a separation seawater direction switching valve which is installed at the branch point of the recovery pipe and the separation seawater sampling unit to change the flow path of the separation seawater.
또한, 상기 농축해수 배출부는, 상기 농축해수가 멤브레인 셀로부터 해수 저류부로 회수되는 농축해수배관과, 이 농축해수배관에 설치되어 농축해수의 배출 압력과 유량을 각각 계측하는 농축해수 압력계 및 농축해수 유량계와, 상기 농축해수배관에 설치되어 농축해수와 분리해수의 유량 및 상기 멤브레인 셀의 압력을 변동시키는 유량조절밸브와, 상기 농축해수배관으로부터 분기되어 농축해수를 샘플링할 수 있도록 하는 농축해수 샘플링부와, 상기 농축해수배관과 농축해수 샘플링부의 분기 지점에 설치되어 농축해수의 유로를 변경하게 되는 농축해수 방향전환밸브를 포함하여 구성될 수 있다.The concentrated seawater discharge unit includes a concentrated seawater pipe where the concentrated seawater is recovered from the membrane cell to the seawater storage unit, and a concentrated seawater pressure gauge and a concentrated seawater flow meter installed in the concentrated seawater pipe to measure discharge pressure and flow rate of the concentrated seawater, respectively. And a flow rate control valve installed in the concentrated seawater pipe for varying the flow rate of the concentrated seawater and the separated seawater and the pressure of the membrane cell, and a concentrated seawater sampling unit for sampling the concentrated seawater branched from the concentrated seawater pipe. It may be configured to include a concentrated seawater direction switching valve which is installed at the branch point of the concentrated seawater pipe and the concentrated seawater sampling unit to change the flow path of the concentrated seawater.
또한, 상기 멤브레인 셀의 허용 운전 압력 범위는 20∼40기압인 것이 바람직하다.In addition, the allowable operating pressure range of the membrane cell is preferably 20 to 40 atmospheres.
한편, 본 발명은, 자연 해수 또는 상기 해수 전해질 분리/농축장치에 의해 농축된 해수를 전해질로 이용하는 광전기화학적 수소제조장치에 있어서, 금속 티타늄 지지체의 표면에 광촉매 티타니아(TiO2)가 양극산화에 의해 튜브형으로 적층되고 빛에 노출되도록 형성된 티타니아 광애노드와, 해수 전해질을 수용하며 상기 티타니아 광애노드가 침지되는 애노드 전해질부와, 백금 소재로 이루어져 수소를 발생시킬 수 있게 되는 캐소드와, 해수 전해질을 수용하며 상기 캐소드가 침지되는 캐소드 전해질부와, 상기 애노드 전해질부와 캐소드 전해질부 사이에 개재되어 애노드 전해질부와 캐소드 전해질부 사이에 이온 교환이 이루어질 수 있게 하는 나노여과 멤브레인과, 상기 티타니아 광애노드와 캐소드에 도선으로 연결되며 빛에 노출되도록 형성된 솔라셀을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 해수 전해질을 이용하는 광전기화학적 수소제조장치를 제공한다.On the other hand, in the photoelectrochemical hydrogen production apparatus using natural seawater or seawater concentrated by the seawater electrolyte separation / concentrator as an electrolyte, the photocatalyst titania (TiO 2 ) is formed on the surface of the metal titanium support by anodization. A titania photoanode stacked in a tubular shape and formed to be exposed to light, an anode electrolyte portion containing a seawater electrolyte and immersed in the titania photoanode, a cathode made of platinum material to generate hydrogen, and a seawater electrolyte A nano-filtration membrane interposed between the cathode electrolyte portion in which the cathode is immersed, the anode electrolyte portion and the cathode electrolyte portion to enable ion exchange between the anode electrolyte portion and the cathode electrolyte portion, and the titania photoanode and the cathode. Brushes connected to the conductors and formed to be exposed to light It provides a photoelectric chemical hydrogen-producing device using the electrolytic water, characterized in that made, including the cells.
상기 광전기화학적 수소제조장치에 있어서, 상기 티타니아 광애노드는, 총 전해질 100중량부에 대하여 1∼3 중량부의 불화암모늄(NH4F)과 2∼4 중량부의 물(H2O) 및 93∼97 중량부의 에틸렌글리콜(C2H6O2)로 이루어진 혼합 성분 전해액에서 40∼60V의 인가전압과 0.05∼0.15A의 인가전류로 양극산화된 것이 사용될 수 있다.In the photoelectrochemical hydrogen production apparatus, the titania photoanode includes 1 to 3 parts by weight of ammonium fluoride (NH 4 F), 2 to 4 parts by weight of water (H 2 O), and 93 to 97 based on 100 parts by weight of the total electrolyte. In the mixed component electrolyte solution composed of parts by weight of ethylene glycol (C 2 H 6 O 2 ), anodized at an applied voltage of 40 to 60 V and an applied current of 0.05 to 0.15 A may be used.
또한, 상기 티타니아 광애노드는, 상기 양극산화 후에 450∼650℃에서 열처리된 것이 사용될 수도 있다.In addition, the titania photoanode may be one heat-treated at 450 to 650 ° C after the anodization.
또한, 상기 나노여과 멤브레인은 분획분자량 200인 폴리아미드로 이루어진 것이 사용될 수 있다.In addition, the nanofiltration membrane may be made of a polyamide having a molecular weight of 200 fraction.
또한, 본 발명은, 상기 수소제조장치를 이용하여, 상기 솔라셀에 최소 인가 전압 1.0∼3.0V로 수소를 발생시키는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수소제조방법을 제공한다.
The present invention also provides a photoelectrochemical hydrogen production method, wherein the hydrogen production apparatus generates hydrogen at a minimum applied voltage of 1.0 to 3.0V.
위와 같이 구성된 본 발명은 종래의 광촉매 단독 물분해 수소제조장치의 낮은 효율성의 문제를 극복하고, 광애노드로서의 슬러리형 광촉매의 낮은 효율성 문제를 해소하게 되는 효과가 있다. The present invention configured as described above has the effect of overcoming the problem of low efficiency of the conventional photocatalyst hydrolysis hydrogen production apparatus, and the problem of low efficiency of the slurry-type photocatalyst as the photoanode.
또한, 본 발명은 광촉매가 갖는 광감응에 의한 전하쌍 생성 능력과 캐소드의 우수한 양성자 환원 능력을 이용하되, 양극산화에 의해 제조된 고정화된 튜브형 티타니아를 광애노드로 사용함과 아울러, 제로 에너지 소모형 인가전압장치인 솔라셀 및 이온 다리로 작용하는 나노여과 멤브레인을 적용하고, 지구상에서 가장 풍부한 해수 자원을 이용함으로써, 수소 제조 효율을 극대화하고, 경제적으로 수소를 제조하게 되는 효과가 있다.In addition, the present invention utilizes the charge-producing ability of the photocatalyst of the photocatalyst and the excellent proton reduction ability of the cathode, and uses an immobilized tubular titania prepared by anodization as an optical anode, and applies zero energy consumption. By applying nanofiltration membranes that act as voltage devices, such as solar cells and ion bridges, and utilizing the most abundant seawater resources on the planet, it is possible to maximize hydrogen production efficiency and economically produce hydrogen.
또, 본 발명은 향후 국내외적으로 물부족 현상이 현실화되고 있는 상황에서, 이를 극복하기 위한 수자원 확보의 다변화 차원에서 해수 담수화 공정이 각광을 받을 것으로 예상되는데, 해수 담수화 공정에서 발생하는 농축 해수를 직접 또는 후처리 후 수소 제조용 전해질로 사용할 수 있도록 하므로, 친환경적인 수소 제조를 가능케 하는 효과가 있다.
In addition, the present invention is expected to receive the spotlight desalination process in order to diversify the water resources in order to overcome this situation in the situation that water shortages are being realized at home and abroad in the future, the concentrated seawater generated in the seawater desalination process directly Or after the post-treatment can be used as an electrolyte for producing hydrogen, there is an effect that enables the environment-friendly hydrogen production.
도 1은 본 발명에 따른 해수 전해질 분리/농축장치의 실시예를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 광전기화학적 수소제조장치의 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 티타니아 광애노드와 광애노드 비교예1,2,3 각각에 대한 광전류를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 상기 본 발명의 티타니아 광애노드와 광애노드 비교예1,2,3 각각의 표면에 대한 전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 광전기화학적 수소제조장치에서 솔라셀에 대한 인가전압에 따른 수소발생속도를 나타낸 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 해수 전해질 분리/농축장치에서 'A 멤브레인'의 운전에 의한 플럭스 및 TDS의 변화 추이도이다.
도 6b는 본 발명의 해수 전해질 분리/농축장치에서 'B 멤브레인'의 운전에 의한 플럭스 및 TDS의 변화 추이도이다.
도 7a는 본 발명에서 상기 'A 멤브레인'에 의해 제조된 해수 전해질의 공급에 의해 발생된 수소 제조 추이도이다.
도 7b는 본 발명에서 상기 'B 멤브레인'에 의해 제조된 해수 전해질의 공급에 의해 발생된 수소 제조 추이도이다.
도 8은 본 발명에서 해수 전해질의 TDS와 수소제조율과의 상관 관계 추이도이다.1 is a block diagram showing an embodiment of a seawater electrolyte separation / concentration apparatus according to the present invention.
2 is a view showing an embodiment of a photoelectrochemical hydrogen production apparatus according to the present invention.
3 is a graph showing the results of measuring the photocurrent for each of the titania photoanode and Comparative Examples 1, 2, 3 of the present invention.
Figure 4 is an electron micrograph of the surface of each of the titania photoanode and the photoanode Comparative Examples 1, 2, 3 of the present invention.
5 is a graph showing the hydrogen generation rate according to the voltage applied to the solar cell in the photoelectrochemical hydrogen production apparatus of the present invention.
Figure 6a is a change in flux and TDS by the operation of the 'A membrane' in the seawater electrolyte separation / concentration apparatus of the present invention.
Figure 6b is a change in flux and TDS by the operation of the 'B membrane' in the seawater electrolyte separation / concentration apparatus of the present invention.
Figure 7a is a hydrogen production trend generated by the supply of seawater electrolyte prepared by the 'A membrane' in the present invention.
Figure 7b is a hydrogen production trend generated by the supply of the seawater electrolyte prepared by the 'B membrane' in the present invention.
8 is a correlation chart between the TDS and the hydrogen production rate of the seawater electrolyte in the present invention.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, it should be understood that the following embodiments are provided so that those skilled in the art can understand the present invention without departing from the scope and spirit of the present invention. It is not.
먼저, 본 발명에 따른 해수 전해질 분리/농축장치에 대한 실시예를 설명한다.First, an embodiment of a seawater electrolyte separation / concentration device according to the present invention will be described.
도 1은 본 발명에 따른 해수 전해질 분리/농축장치의 실시예를 나타낸 구성도로서, 해수를 저류하는 해수 저류부(10)와, 해수 중의 이온 성분을 분리/농축하는 멤브레인 셀(20), 해수 저류부로부터 상기 멤브레인 셀로 해수를 공급하기 위한 해수 공급부(30), 멤브레인 셀(20)에 의해 이온 성분이 분리되어 자연 해수보다 낮은 TDS(총용존 성분) 농도를 갖는 해수(이를 '분리해수'라 함)를 배출하는 분리해수 배출부(40), 그리고, 멤브레인 셀(20)에 의해 이온 성분이 농축되어 자연 해수보다 높은 TDS 농도를 갖는 해수(이를 '농축해수'라 함)를 해수 저류부(10)로 배출하는 농축해수 배출부(50)를 주요 구성 요소로 하고 있다. 각 구성 요소별로 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.1 is a configuration diagram showing an embodiment of a seawater electrolyte separation / concentration device according to the present invention, which includes a
상기 해수 저류부(10)는 자연 해수로부터 입자성 물질을 제거한 상태의 해수를 저류하게 된다. 즉, 자연 해수는 예를 들어 우리나라의 동해안에서 취수한 일반적인 바닷물로서, 0.45㎛ 이하의 필터(11a)를 통하여 0.45㎛를 초과하는 입자성 물질을 제거한 해수를 저류한다. 0.45㎛를 초과하는 입자성 물질이 해수에 존재하게 되면, 후술하는 광전기화학적 수소제조장치를 통해 장시간 동안 수소를 제조하는 과정에서, 광화학 반응시 튜브 형태의 광감응 전극(즉, 티타니아 광애노드)에 입자상 물질이 침적되어 광화학 반응을 저해하거나, 해수의 성분 분석시 분석장비의 막힘 등의 문제를 야기할 수도 있다. 따라서, 해수의 분리/농축을 위한 전처리 과정으로서 자연 해수로부터 입자성 물질을 필터링하게 되는 것이다.The
본 발명에서 사용되는 자연 해수의 주요 성분 분석 결과는 표 1에 정리되어 있다.The major component analysis results of the natural seawater used in the present invention are summarized in Table 1.
일반적으로 해수의 염분 농도를 나타내는 지표인 총용존성분(Total Dissolved Solids, TDS)은 33,500mg/l이며, 수소이온농도(pH)는 7.98로 나타났다. 지구상에 분포하는 해수의 염분 농도는 지역별, 계절에 따라 그 차이가 다양하지만, 우리나라의 경우 지역과 수온 분포에 따라 TDS가 약 31,500∼34,600mg/l 사이를 이루고 있다. 이러한 자료를 토대로 본 발명에 사용되는 해수도 그 범위 안에 드는 것을 알 수 있다.In general, Total Dissolved Solids (TDS), which is an indicator of salt concentration in seawater, was 33,500 mg / l, and the hydrogen ion concentration (pH) was 7.98. The salinity of seawater distributed on the earth varies according to region and season, but in Korea, TDS is between 31,500 ~ 34,600mg / l depending on the region and water temperature distribution. Based on these data, it can be seen that the seawater used in the present invention is also within the range.
본 실시예의 해수 저류부(10)는 해수가 담기는 해수 저류조(11)와, 이 해수 저류조(11)에 침지되어 냉각수를 순환시키는 냉각수 순환 코일(12a)을 구비한 해수 온도 조절부(12)로 구성되어 있다. 상기 필터(11a)는 해수 저류조(11)에 구비된다. 그리고, 해수 온도 조절부(12)는 후술하는 바와 같이 상기 멤브레인 셀(20)을 공급해수 재순환 여과 방식(recirculation filtration mode)으로 운전할 때 고압 펌프(32)의 온도 상승으로 인해 해수의 온도가 증가하는 것을 방지하거나 공급 해수의 온도를 일정하게 유지하기 위해 구비되며, 열교환 효율을 높이기 위해 냉각수 순환 코일(12a)을 통해 냉각수가 순환하도록 한다.The
상기 멤브레인 셀(20)은 스테인리스 스틸 재질로 구성되어 있으며, 100기압까지 압력을 가할 수 있는데, 해수 전해질의 회수율과 운전시간의 적정 수준을 고려할 때 20∼40기압으로 운전하는 것이 바람직하며, 이에 대한 구체적인 설명은 나중에 설명하기로 한다. 멤브레인 셀(20)의 내부에는 나노여과(nanofiltration) 멤브레인(미도시)이 구비되어 있고, 십자류 여과방식(cross-flow filtration mode)으로 운전됨으로써 해수 중의 이온 성분을 분리/농축하게 된다. 그리고, 해수 공급부(30)로부터 공급된 해수(즉, '공급해수')보다 이온농도가 낮은 분리해수는 분리해수 배출부(40)로 보내고, 공급해수보다 이온농도가 높은 농축해수는 농축해수 배출부(50)로 보낸다.The
상기 해수 공급부(30)는, 해수 저류부(10)로부터 멤브레인 셀(20)로 해수를 공급하는 해수공급배관(31)과, 이 해수공급배관(31)의 관로에 설치되어 멤브레인 셀(20)에 필요한 압력 즉, 공급 압력을 제공하는 고압 펌프(32)를 구비하고 있다. 또한, 해수공급배관(31)에는 고압 펌프(32)의 고압 운전시 공급 압력으로 인해 해수공급배관(31)에 발생할 수 있는 진동을 제거하거나 최소화가기 위한 댐퍼(33)가 구비되어 있다. 또, 해수공급배관(31)에는 특히 멤브레인 셀(20) 입구 측에 해수공급 압력계(34)가 설치되어, 해수공급배관(31)을 통해 멤브레인 셀(20)로 제공되는 해수의 공급 압력을 계측한다. 그리고, 해수공급배관(31)의 관로 중에는 안전 밸브(35)와 바이패스 배관(36)이 설치되어 있는데, 상기 해수공급 압력계(34)에 의해 계측되는 해수의 공급 압력이 급격하게 상승하는 경우, 안전 밸브(35)가 개방되어 멤브레인 셀(20)로 공급되는 해수를 바이패스 배관(36)을 통해 해수 저류부(10)로 우회시킴으로써, 안전한 운전이 이루어지게 된다.The
본 실시예의 분리해수 배출부(40)는 멤브레인 셀(20)에 의해 이온 성분이 분리되어 자연 해수보다 낮은 TDS 농도를 갖는 분리해수가 외부로 배출되는 분리해수배관(41)을 구비하고 있다. 그리고, 이 분리해수배관(41)에는, 분리해수의 배출 압력을 계측하는 분리해수 압력계(42)와, 분리해수의 유량을 계측하는 분리해수 유량계(43)가 설치되어 있다. 또, 분리해수배관(41)으로부터 분기된 분리해수 회수관(44)이 구비되어 있는데, 이 분리해수 회수관(44)은 멤브레인 셀(20)이 공급해수 재순환 여과방식으로 운전될 때 분리해수를 해수 저류부(10)로 회수되도록 한다. 또한, 필요시 분리해수의 시료를 채수하여 분석할 수 있도록 하기 위한 배관으로서 분리해수 샘플링부(45)가 분리해수배관(41)으로부터 분기되어 있다. 이들 분리해수배관(41)과 분리해수 회수관(44) 및 분리해수 샘플링부(45)의 분기 지점에는 분리해수의 유로를 변경하기 위한 분리해수 방향전환밸브(46)가 설치되어 있다.The separated
본 실시예의 농축해수 배출부(50)는, 농축해수가 멤브레인 셀(20)로부터 해수 저류부로 회수되는 농축해수배관(51)과, 이 농축해수배관(51)에 설치되어 농축해수의 배출 압력과 유량을 각각 계측하는 농축해수 압력계(52) 및 농축해수 유량계(53)를 구비하고 있다. 또한, 농축해수배관(51)에는 농축해수의 유량을 조절하는 유량조절밸브(54)가 설치되어 있어서, 이 유량조절밸브(54)의 미세조정에 의해 농축해수와 분리해수의 유량 및 상기 멤브레인 셀의 압력을 변동시킬 수 있게 된다. 그리고, 농축해수배관(51)으로부터 분기된 농축해수 샘플링부(55)가 구비되어 농축해수의 시료를 채수할 수 있게 되어 있으며, 이들 농축해수배관(51)과 농축해수 샘플링부(55)의 분기 지점에는 농축해수의 유로를 변경하기 위한 농축해수 방향전환밸브(56)가 설치되어 있다.
The concentrated
한편, 해수 전해질을 제조하기 위한 나노여과 멤브레인은 역삼투압 멤브레인(Reverse Osmosis)과 한외여과(Ultrafiltration)의 중간적인 특징의 분획분자량(Molcular Weight Cutoff : MWCO)을 갖는다.On the other hand, the nanofiltration membrane for preparing a seawater electrolyte has a molecular weight cutoff (MWCO) of the intermediate characteristics of reverse osmosis membrane and ultrafiltration (Ultrafiltration).
본 발명에 사용된 멤브레인은 폴리아미드(polyamide) 재질로서, 나노여과 멤브레인 중 상대적으로 낮은 분획분자량을 갖는 것(이를 'A 멤브레인'이라 함)과, 나노여과 멤브레인 중 상대적으로 높은 분획분자량을 갖는 것(이를 'B 멤브레인'이라 함)이 적용될 수 있다.The membrane used in the present invention is a polyamide material, which has a relatively low fractional molecular weight in the nanofiltration membrane (called 'A membrane'), and a relatively high fractional molecular weight in the nanofiltration membrane. (This is called 'B membrane') can be applied.
'A 멤브레인'의 경우는 상대적으로 낮은 분획분자량을 갖는 대신에 낮은 플럭스(flux)를 가지며, 해수 내의 이온 제거율이 높아 농축해수 배출부(50)에서 TDS가 일반 해수보다 높게 증가한다. 반면에, 'B 멤브레인'의 경우에는 상대적으로 높은 분획분자량을 가지며 해수 내의 이온 제거율이 낮은 대신 높은 플럭스를 가지며, 농축해수 배출부(50)에서 TDS가 낮게 농축되는 특징을 갖는다.In the case of 'A membrane', it has a low flux instead of having a relatively low fractional molecular weight, and the ion removal rate in seawater is high, so that the TDS increases in the concentrated
본 발명의 해수 전해질 분리/농축장치에서 해수 전해질을 제조하기 위한 운전은, 공급해수 재순환 여과방식에서 25%의 전해질 회수율을 얻을 수 있도록 압력을 가하게 된다. 멤브레인의 면적이 작은 경우, 이온 농도를 축적하기 위해 공급해수 재순환 여과방식으로 운전하는 것이 바람직하며, 공급해수 재순환 여과방식에서 전해질 회수율의 계산은 수학식 1에 의해 산출할 수 있다.The operation for producing the seawater electrolyte in the seawater electrolyte separator / concentrator of the present invention is pressurized to obtain an electrolyte recovery rate of 25% in the supplied seawater recycle filtration method. When the area of the membrane is small, it is preferable to operate by supply seawater recycle filtration to accumulate ion concentration, and the calculation of electrolyte recovery in the supply seawater recycle filtration can be calculated by
상기 수학식 1에서 'R'은 전해질 회수율로서, 공급 해수량(VF) 대비 멤브레인에서 분리된 해수량(VP)의 백분율을 의미한다. 회수율 25%을 기준으로, 그 이하의 회수율에서는 해수 전해질의 제조시간이 짧은 장점이 있으나 농축 효율이 낮아지며, 그 이상의 회수율을 얻기 위해서는 농축 효율이 높아질 수 있으나 제조시간이 길어지거나 멤브레인 표면에 무기 스케일이 형성될 가능성이 높아진다.In
본 발명에서 해수 전해질을 제조하기 위한 멤브레인 셀(20)의 허용 운전 압력 범위는 20∼40기압이며, 특히 20∼30기압으로 운전하는 것이 더욱 바람직하다. 20기압보다 낮은 압력에서 운전하는 경우, 25%의 해수 전해질 회수율을 얻기 위한 운전시간이 길어지게 되고, 40기압을 초과하는 경우에는 25%의 해수 전해질 회수율을 얻기 위한 운전시간은 짧아지지만 분리/농축의 효율이 떨어지고 멤브레인 표면에 무기 스케일이 형성될 가능성이 높아진다.
In the present invention, the allowable operating pressure range of the
다음에서는 자연 해수 또는 전술한 바와 같이 구성된 해수 전해질 분리/농축장치에 의해 농축된 해수를 전해질로 이용하는 본 발명의 광전기화학적 수소제조장치에 대해 설명한다.Next, the photoelectrochemical hydrogen production apparatus of the present invention using seawater concentrated as natural electrolyte or seawater electrolyte separation / concentration device configured as described above as an electrolyte will be described.
도 2는 본 발명에 따른 광전기화학적 수소제조장치의 실시예를 나타낸 도면으로서, 티타니아 광애노드(110)와, 해수 전해질을 수용하면서 이 티타니아 광애노드(110)가 침지되는 애노드 전해질부(120), 백금 소재로 이루어져 수소를 발생시키는 캐소드(130), 해수 전해질을 수용하면서 이 캐소드(130)가 침지되는 캐소드 전해질부(140), 애노드 전해질부(120)와 캐소드 전해질부(140) 사이에 개재되어 애노드 전해질부(120)와 캐소드 전해질부(140) 사이에 이온 교환이 이루어질 수 있게 하는 나노여과 멤브레인(150), 그리고 티타니아 광애노드(110)와 캐소드(130)에 도선으로 연결되어 빛에 노출되는 솔라셀(160)로 구성되어 있다.2 is a view showing an embodiment of the photoelectrochemical hydrogen production apparatus according to the present invention, the titania photoanode 110, the
상기 티타니아 광애노드(110)는 금속 티타늄 지지체의 표면에 광촉매 티타니아(TiO2)가 양극산화에 의해 튜브형으로 적층된 것으로서, 태양광과 같은 빛에 노출이 된다. 즉, 티타니아 광애노드(110)는 양극산화 반응을 통하여 광촉매 물질인 튜브형 티타니아가 지지체인 금속 티타늄의 표면에 일체형으로 생성 결합된 구조를 갖는다. 이때, 각 티타니아 튜브의 중공 측은 금속 티타늄 지지체의 표면과 직각을 이루게 되면서 외부를 향하게 된다. 다시 말해, 금속 티타늄 지지체의 표면에 전이금속 산화물층인 티타니아 튜브들이 밀집 배열된 상태로 적층 결합된 구조로서, 티타니아 광애노드(110)와 캐소드(130) 사이에서 솔라셀(160)에 전압이 인가됨에 따라 전자가 한 방향으로 이동하게 됨으로써, 산화환원 반응을 분리하여 일으킬 수 있게 된다.The titania photoanode 110 is formed by stacking a photocatalyst titania (TiO 2 ) in a tubular shape by anodization on a surface of a metal titanium support, and is exposed to light such as sunlight. That is, the titania photoanode 110 has a structure in which the tubular titania, which is a photocatalytic material, is integrally formed and bonded to the surface of the metallic titanium, which is a support, through an anodization reaction. At this time, the hollow side of each titania tube is facing outward while making a right angle with the surface of the metal titanium support. In other words, Titania tubes, which are transition metal oxide layers, are stacked and arranged on the surface of the metal titanium support, and a voltage is applied to the
티타니아 광애노드(110)의 양극산화는, 금속 티타늄 지지체를 세척한 다음, 총 전해질 100중량부에 대하여 1∼3중량부의 불화암모늄(NH4F)과 2∼4 중량부의 물(H2O) 및 93∼97중량부의 에틸렌글리콜(C2H6O2)로 이루어진 혼합 성분 전해액에서 구리 또는 백금 코일을 상대전극인 음극으로 하여 양극인 금속 티타늄 지지체를 산화시키는 과정을 통해 이루어진다. 불화암모늄의 함량이 1중량부에 미치지 못하면 튜브형 산화막의 형성이 어렵게 되고, 3중량부를 초과하면 튜브형 산화막이 불균일한 형태로 변형되고 만다. 또, 물의 함량이 2중량부에 미치지 못하면 불화암모늄의 용해가 어렵게 되고, 4중량부를 초과하면 전해질의 점도가 낮아져 양극산화의 속도가 변할 수 있다. 그리고, 에틸렌글리콜의 경우 93중량부에 미치지 못하면 산화물의 에칭속도가 빨라지게 되고, 97중량부를 초과하면 긴 산화물 형태의 튜브 생성이 어렵게 된다.Anodization of the titania photoanode 110 is performed by washing the metal titanium support, followed by 1 to 3 parts by weight of ammonium fluoride (NH 4 F) and 2 to 4 parts by weight of water (H 2 O) based on 100 parts by weight of the total electrolyte. And 93 to 97 parts by weight of a mixed component electrolyte consisting of ethylene glycol (C 2 H 6 O 2 ) using a copper or platinum coil as a negative electrode as a counter electrode to oxidize a metal titanium support as a positive electrode. If the content of ammonium fluoride is less than 1 part by weight, it is difficult to form a tubular oxide film, and if it exceeds 3 parts by weight, the tubular oxide film is deformed into a nonuniform form. In addition, when the water content is less than 2 parts by weight, it is difficult to dissolve the ammonium fluoride. When it exceeds 4 parts by weight, the viscosity of the electrolyte is lowered, and thus, the rate of anodization may be changed. And, in the case of ethylene glycol is less than 93 parts by weight, the etching rate of the oxide is faster, if it exceeds 97 parts by weight it is difficult to form a long oxide tube.
상기 양극산화시의 인가전압은 40∼60V, 인가전류는 0.05∼0.15A의 조건으로 수행한다. 인가전압이 40V에 미치지 못하면 산화물의 생성이 불규칙해지고, 60V를 초과하면 산화물의 탈리가 발생한다. 그리고, 인가전류가 0.05A에 미치지 못하면 양극산화가 안되거나 매우 느리게 진행되며, 0.15A를 초과하는 경우에는 양극이 타게 된다. 양극산화에 소요되는 시간은 약 2∼4시간 정도가 된다.In the anodization, the applied voltage is 40 to 60 V and the applied current is 0.05 to 0.15 A. If the applied voltage is less than 40V, the formation of oxide becomes irregular, and if it exceeds 60V, the oxide is released. If the applied current is less than 0.05A, anodization may not be performed or may proceed very slowly. If the current exceeds 0.15A, the anode may burn. The time required for anodizing is about 2 to 4 hours.
이러한 양극산화 후에, 분위기 가스와 처리 온도의 조절이 가능한 노(furnace)에서 산화 대상인 금속 티타늄 지지체의 단위 표면적당 산소를 분당 400∼600ml씩 공급하면서 티타니아 광애노드(110)를 450∼650℃에서 열처리한다. 이러한 열처리는 양극산화에 의해 생성된 무정형의 산화물층을 일정한 구조로 결정화하기 위한 과정이다. 열처리 과정에서 산소 공급량이 400ml/min에 미치지 못하면 산화물층이 형성되는 시간이 길어지게 됨은 물론 산화물층이 불안정하게 형성될 수 있고, 600ml/min을 초과하는 경우에는 그 이상의 효과를 볼 수 없다. 티타니아 광애노드(110)에 대한 열처리 시간은 산소 공급량, 열처리 온도, 지금속 티타늄 지지체의 표면적 등에 따라 변화하게 되는데, 대체적으로 2∼5시간 정도가 소요된다. 또, 열처리 온도가 450℃에 미치지 못하면 아나타제 구조로의 결정화가 어렵게 되고, 650℃를 초과하는 경우에는 루타일 구조가 생성될 수 있기 때문에 450∼650℃의 온도 범위에서 열처리하는 것이 바람직하다.After such anodization, the titania photoanode 110 is heat-treated at 450 to 650 ° C. while supplying 400 to 600 ml per minute of oxygen per unit surface area of the metal titanium support to be oxidized in a furnace capable of controlling the atmospheric gas and the processing temperature. do. This heat treatment is a process for crystallizing the amorphous oxide layer produced by anodization into a uniform structure. If the oxygen supply amount does not reach 400ml / min during the heat treatment process, the time for forming the oxide layer may become long, and the oxide layer may be unstable. If the amount exceeds 600ml / min, no more effect is obtained. The heat treatment time for the titania photoanode 110 changes depending on the oxygen supply amount, the heat treatment temperature, the surface area of the titanium support, and the like, and generally takes about 2 to 5 hours. If the heat treatment temperature is less than 450 ° C, crystallization to an anatase structure becomes difficult, and if it exceeds 650 ° C, rutile structure may be generated. Therefore, heat treatment is preferably performed in a temperature range of 450 to 650 ° C.
위와 같은 과정을 통해 광감응 능력을 보유한 면적을 가진 튜브형 산화물층을 금속 티타늄 지지체의 표면에 생성한 티타니아 광애노드(110)를 형성하게 되며, 자외선 또는 태양광을 조사하면 해수로부터 광전기화학적 반응을 일으키는 전극으로 사용할 수 있게 되는 것이다.Through the above process, the titania photoanode 110 formed on the surface of the metal titanium support is formed on the surface of the metal titanium support having a tubular oxide layer having a photosensitive ability, and irradiated with ultraviolet rays or sunlight causes photoelectrochemical reaction from seawater. It can be used as an electrode.
즉, 티타니아 광애노드(110)에 광촉매 물질인 티타니아의 밴드갭 에너지보다 같거나 큰 빛을 조사하면 전자/정공이 생성되며, 솔라셀(160)에 의하여 인가된 전위차로 인해 전자/정공이 분리된다. 남은 정공은 해수를 산화시켜 산소 및 염소 가스와 양성자를 생성시키고, 도선을 통하여 캐소드(130)로 이동한 전자는 애노드 전해질부(120)로부터 나노여과 멤브레인(150)을 통하여 캐소드 전해질부(140)로 이동한 양성자를 환원시켜 수소를 발생시킨다.That is, when the
상기 나노여과 멤브레인(150)은 해수에 대한 내화학성이 상대적으로 강한 폴리아미드(polyamide)로 만들어진 분획분자량 200인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 분획분자량이 200보다 작은 경우에는 이온교환이 용이하지 않을 수 있어 회로구성이 원활화게 이루어지지 않아 수소발생량이 적을 수 있다. 또, 분획분자량이 200 보다 큰 경우에는 애노드 전해질부(120)와 캐소드 전해질부(140)의 해수 전해질이 쉽게 이동하게 되어 적합하지 않다.The
한편, 솔라셀(160)은 단결정 또는 다결정 실리콘 태양전지를 사용할 수 있으며, 최소 인가전압은 1.0∼3.0V의 범위로 하는 것이 바람직하다.
On the other hand, the
다음에서는, 전술한 바와 같이 구성된 본 발명의 해수 전해질을 이용하는 광전기화학적 수소제조장치에 대한 시험예들을 설명한다.
In the following, test examples for the photoelectrochemical hydrogen production apparatus using the seawater electrolyte of the present invention configured as described above will be described.
<시험예 1>≪ Test Example 1 >
앞서 설명한 혼합 성분 전해액(불화암모늄(NH4F)+물(H2O)+에틸렌글리콜(C2H6O2))에 0.1A 정전압 하에서 3시간 동안 양극산화한 후, 산소 분위기 400ml/min에서 450℃로 2시간 열처리하여 얻은 본 발명의 티타니아 광애노드(110)와, 기타 양극산화 전해액1(불산(HF), 기타 양극산화 전해액2(불화칼륨+질산나트륨+인산) 및 기타 양극산화 전해액3(불화암모늄+물+글리세롤)으로부터 각각 제조된 광애노드 비교예1,2,3에 대한 특성을 시험하였다.After anodizing the mixed component electrolyte solution (ammonium fluoride (NH 4 F) + water (H 2 O) + ethylene glycol (C 2 H 6 O 2 )) for 3 hours under a constant voltage of 0.1 A, an
도 3은 상기 본 발명의 티타니아 광애노드(110)와 광애노드 비교예1,2,3 각각에 대한 광전류(photocurrent)를 측정한 결과를 보여주고 있다. 도 3의 그래프를 보면, 본 발명의 혼합 성분 전해액을 통해 제조된 티타니아 광애노드(110)는 기타 전해액을 통해 제조된 광애노드 비교예1,2,3에 비해 전류값이 가장 높게 나타남을 알 수 있다.Figure 3 shows the results of measuring the photocurrent (photocurrent) for each of the titania photoanode 110 and the photoanode Comparative Examples 1, 2, 3 of the present invention. Referring to the graph of FIG. 3, it can be seen that the titania photoanode 110 manufactured through the mixed component electrolyte solution of the present invention has the highest current value compared with the photoanode comparative examples 1, 2, and 3 prepared through other electrolyte solutions. have.
도 4는 상기 본 발명의 티타니아 광애노드(110)와 광애노드 비교예1,2,3 각각의 표면에 대한 전자현미경 사진으로서, 상기 도 3의 광전류값 그래프를 설명할 수 있는 표면 결과를 알 수 있다. 즉, 본 발명의 혼합 성분 전해액을 통해 제조된 티타니아 광애노드(110)는 매우 규칙적이면서 상대적으로 긴 튜브형태의 티타니아가 생성되어 있는 반면, 광애노드 비교예1의 경우 튜브형태를 띄고는 있으나 튜브 벽이 상대적으로 두꺼운 결과를 보이고 있다. 또, 광애노드 비교예2, 3의 경우에는 불안정한 튜브형태 또는 입자상(구형) 티타니아가 원뿔형태로 적층된 모습을 보이고 있다.FIG. 4 is an electron micrograph of the surface of each of the titania photoanode 110 and the photoanode comparative examples 1, 2, and 3 of the present invention. The surface currents of the photocurrent value graph of FIG. have. That is, the titania photoanode 110 manufactured through the mixed component electrolyte of the present invention has a very regular and relatively long tube-like titania, whereas in the case of the photoanode comparative example 1, the tube wall has a tube shape but This is a relatively thick result. In addition, in the case of the photoanode Comparative Examples 2 and 3, the unstable tube shape or particulate (spherical) titania is shown to be stacked in a cone shape.
상기 결과를 종합하면, 광애노드의 형태가 규칙적인 튜브형태를 가질 때, 튜브의 길이가 길어질수록 티타늄 단위면적당 생성된 티타니아의 양이 증가하는 것으로 보이며, 이러한 조건 하에서 광전류값이 높아지고, 이는 전자의 이동이 수월하게 이루어질 수 있다는 것을 나타낸다.
Taken together, the results show that when the shape of the photoanode has a regular tube shape, the longer the length of the tube increases the amount of titania produced per unit area of titanium, and the photocurrent value increases under these conditions. Indicates that the move can be made easily.
<시험예 2>≪ Test Example 2 &
본 발명의 해수 전해질을 이용하는 광전기화학적 수소제조장치를 구성하는 솔라셀(160)에 대한 인가전압을 1.0∼3.0V까지 0.5V씩 증가시키면서 수소발생속도(μ㏖/㎠-hr)를 측정하여 외부 바이어스(External bias)의 영향을 파악하였다. 이때 사용한 해수 전해질은 0.45㎛ 필터로 입자성 물질을 제거한 자연 해수로서, 표 1에 나타난 주요 이온 성분을 가진 전해질이다.The hydrogen generation rate (μmol / cm 2 -hr) was measured by increasing the applied voltage to the
도 5는 솔라셀(160)에 대한 인가전압에 따른 수소발생속도를 나타낸 그래프로서, 인가전압이 증가할수록 수소발생속도가 증가하는 것을 볼 수 있으며, 3.0V를 기준으로 그 이상의 인가전압(3.5V)에서는 수소발생속도가 더 이상 증가하지 않음을 관찰할 수 있다.5 is a graph showing the hydrogen generation rate according to the voltage applied to the
이러한 결과를 통하여, 해수를 전해질 원료로 하는 광전기화학적 수소제조에 있어서, 솔라셀(160)은 3.0V 이상의 전압을 인가할 때 수소발생속도가 최적임을 알 수 있다.Through these results, it can be seen that in the photoelectrochemical hydrogen production using seawater as an electrolyte material, the
또한, 티타니아 광애노드(110)에 광원을 조사하지 않은 상태에서 전압이 다른 솔라셀(3.0 및 3.5V)에 의한 전기분해 수소발생속도 여부를 확인한 결과, 수소가 전혀 발생하지 않는 결과를 얻었다. 또한, 외부 바이어스인 솔라셀이 없이 광화학 반응을 유도하였을 경우에도 수소가 발생하지 않는 결과를 알 수 있다.
In addition, when the
<시험예 3><Test Example 3>
0.45㎛ 필터를 통해 입자성 물질을 제거한 자연 해수(표 1의 자연 해수)를 공급 해수로 하고, 나노여과 멤브레인 중 상대적으로 낮은 분획분자량을 갖는 'A 멤브레인'과, 나노여과 멤브레인 중 상대적으로 높은 분획분자량을 갖는 'B 멤브레인'을 이용하여 20기압 및 30기압의 압력을 가하여 공급해수 재순환 여과방식으로 전해질 회수율 25%를 맞추기 위한 운전을 수행하였다.Natural seawater (Table 1 natural seawater) from which particulate matter was removed through a 0.45 μm filter was used as a seawater, 'A membrane' having a relatively low fractional molecular weight among nanofiltration membranes, and a relatively high fraction of nanofiltration membranes. A pressure of 20 atm and 30 atm was applied using a 'B membrane' having a molecular weight to perform an operation for adjusting the electrolyte recovery rate by 25% by supplying seawater recycle filtration.
해수 전해질 제조에 앞서, 상기 'A 멤브레인'과 'B 멤브레인'의 순수 투수성(pure water permeability)을 측정한 결과, 'A 멤브레인'의 경우 5.9L/㎡-hr-bar였고, 'B 멤브레인'의 경우에는 10.39L/㎡-hr-bar로서, 'A 멤브레인'이 좀 더 조밀하고 이온의 제거율(농축율)이 높으나, 플럭스가 낮을 것으로 예상하였으며, 이를 토대로 해수 전해질 제조를 위한 운전을 수행하였다.Prior to the preparation of the seawater electrolyte, the pure water permeability of the 'A membrane' and the 'B membrane' was measured, and the 'A membrane' was 5.9 L / m 2 -hr-bar, and the 'B membrane' In the case of 10.39L / ㎡-hr-bar, the 'A membrane' is more compact and the ion removal rate (concentration rate) is high, but the flux is expected to be low, and the operation for seawater electrolyte production was performed based on this. .
도 6a와 같이 'A 멤브레인'의 경우 25%의 전해질 회수율을 얻기 위해서는 20기압에서는 약 9시간, 30기압에서는 4.5시간의 운전 시간이 소요되었다. 플럭스는 운전 시간에 따라 초기에 비해 감소 추세를 보이는데, 이는 멤브레인 표면에 무기 이온이 침착하여 파울링(fouling)을 형성하기 때문이다. 압력별 운전에 따른 TDS는 농축해수 배출부의 경우 일반 해수 33,500mg/L에 비해 점차 증가하여 20기압에서는 약 40,600mg/L, 30기압에서는 약 43,400mg/L의 값을 보이며, 생산 수부의 경우 20기압에서 약 15,600mg/L, 30기압에서는 12,000mg/L를 나타내었다.As shown in FIG. 6A, in order to obtain an electrolyte recovery rate of 25%, an operating time of about 9 hours at 20 atm and 4.5 hours at 30 atm was required. The flux tends to decrease with the time of operation compared to the initial stage because the inorganic ions are deposited on the membrane surface to form fouling. According to the pressure-dependent operation, TDS is gradually increased compared to general seawater 33,500mg / L for concentrated seawater discharge, and shows value of about 40,600mg / L at 20 atmosphere and about 43,400mg / L at 30 atmosphere. It was about 15,600 mg / L at 30 atm and 12,000 mg / L at 30 atm.
도 6b와 같이 'B 멤브레인'의 경우에는 25%의 전해질 회수율을 얻기 위한 운전 시간이 'A 멤브레인'에 비해 짧게 소요되는데, 이는 플럭스가 높기 때문이다. 압력별 운전에 따른 TDS는 농축해수 배출부의 경우 일반 해수 33,500mg/L에 비해 점차 증가하여 20기압에서는 약 38,800mg/L, 30기압에서는 약 38,600mg/L을 보이며, 생산 수부의 경우 20기압에서 약 30,400mg/L, 30기압에서는 29,600mg/L를 나타내었다.In the case of 'B membrane', as shown in FIG. 6B, the operation time for obtaining an electrolyte recovery rate of 25% is shorter than that of 'A membrane', since the flux is high. According to the pressure-dependent operation, TDS is gradually increased compared to general seawater 33,500mg / L in concentrated seawater discharge, showing about 38,800mg / L at 20 atm and about 38,600mg / L at 30at. At about 30,400 mg / L and 30 atm, it was 29,600 mg / L.
도 6a 및 도 6b의 멤브레인에 대한 TDS 분리 및 농축 경향을 비교하여 보면, 'A 멤브레인'의 분리/농축 정도가 'B 멤브레인'에 비해 높은 것을 알 수 있다.Comparing TDS separation and concentration trends for the membranes of FIGS. 6A and 6B, it can be seen that the degree of separation / concentration of 'A membrane' is higher than that of 'B membrane'.
표 2는 압력 조건에 따른 해수 전해질의 주요 이온 성분의 농도를 분석한 결과이다. 이 분석 결과에서도 TDS와 동일한 경향을 보이는데, 'A 멤브레인'에서의 분리/농축이 'B 멤브레인'에 비하여 높은 것을 알 수 있다.
Table 2 shows the results of analyzing the concentrations of the main ionic components of the seawater electrolyte according to the pressure conditions. This analysis also shows the same trend as TDS, which shows that separation / concentration at 'A membrane' is higher than 'B membrane'.
주요성분
main ingredient
자연해수
Natural sea water
<시험예 4><Test Example 4>
상기 시험예 3에서와 같이 제조된 다양한 해수 전해질을 본 발명의 광전기화학적 수소제조장치에 공급하여 수소를 제조하였다.Hydrogen was prepared by supplying various seawater electrolytes prepared as in Test Example 3 to the photoelectrochemical hydrogen production apparatus of the present invention.
도 7a는 'A 멤브레인'에 의해 제조된 해수 전해질의 공급에 의해 발생된 수소 제조 추이도이고, 도 7b는 'B 멤브레인'에 의해 제조된 해수 전해질의 공급에 의해 발생된 수소 제조 추이도이다.FIG. 7A is a hydrogen production trend generated by the supply of seawater electrolyte prepared by 'A membrane', and FIG. 7B is a hydrogen production trend generated by the supply of seawater electrolyte manufactured by 'B Membrane'.
도 7a에서 볼 수 있는 바와 같이, TDS 33,500mg/L의 일반 자연 해수 전해질을 이용하여 수소를 제조하는 경우, 약 200μ㏖/㎠-hr의 결과를 얻을 수 있었으나, 본 발명에 다른 해수 전해질 분리/농축장치의 멤브레인 셀에 의해 농축된 해수 전해질의 경우에는 일반 해수에서 제조된 수소 제조율보다 높은 결과를 얻을 수 있었다. 즉, 'A 멤브레인'에 의해 제조된 해수 전해질을 사용한 경우 수소 제조율이 높은 것을 알 수 있다. 또한, 동일한 압력 조건에서 분리된 해수 전해질의 경우, 일반 해수에 비해 현저히 낮은 수소 제조율을 보이고 있다.As can be seen in Figure 7a, when producing hydrogen using a general natural seawater electrolyte of TDS 33,500mg / L, it was possible to obtain a result of about 200μmol / ㎠-hr, seawater electrolyte separation / In the case of the seawater electrolyte concentrated by the membrane cell of the concentrator, a result higher than that of the hydrogen produced in general seawater was obtained. That is, it can be seen that the hydrogen production rate is high when the seawater electrolyte prepared by 'A membrane' is used. In addition, the seawater electrolyte separated under the same pressure condition shows a significantly lower hydrogen production rate than the general seawater.
도 7b와 같이 'B 멤브레인'의 경우, 농축 또는 분리 해수 전해질을 사용하였을 때, 일반 해수 전해질과 거의 동일하거나 낮은 수소 제조율을 보이고 있다. 표 2의 주요 이온 및 TDS 분석결과에서 볼 수 있듯이 'A 멤브레인'의 경우 해수의 주요 성분의 분리/농축으로 일반 해수와 이온 성분이 현저하게 차이가 나지만, 'B 멤브레인'의 경우에는 분리/농축 효율이 낮기 때문에 수소 제조율에 있어서도 'A 멤브레인'에 비해 제조된 농축 해수 전해질의 효율이 높은 것으로 나타났다.
As shown in FIG. 7B, when the concentrated or separated seawater electrolyte is used, the hydrogen production rate is almost the same as or lower than that of the general seawater electrolyte. As shown in the results of the main ions and TDS analysis in Table 2, the separation and concentration of the main components of seawater differs significantly in the case of 'A membrane', whereas in the case of 'B membrane', separation / concentration differs. Since the efficiency is low, the concentration of the prepared seawater electrolyte is higher than that of the 'A membrane' in terms of hydrogen production rate.
<시험예 5>≪ Test Example 5 >
도 8은 본 발명에서 해수 전해질의 TDS와 수소제조율과의 상관 관계 추이도로서, 전술한 시험예 1∼4에서 수행한 티타니아 광애노드의 제조, 멤브레인에 의한 해수 전해질의 제조, 이를 활용하여 수소를 제조한 결과를 종합한 수소 제조율과 해수 전해질의 TDS와의 상관 관계를 요약한 결과이다.8 is a correlation diagram between the TDS of the seawater electrolyte and the hydrogen production rate in the present invention. This is a result of summarizing the correlation between the hydrogen production rate and the TDS of the seawater electrolyte.
도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 일반 해수(TDS 33,500mg/L)를 본 발명의 광전기화학적 수소제조장치에 공급하여 광화학 반응을 유도하였을 때, 수소 제조율은 약 200μ㏖/㎠-hr(도 8에서 파선으로 표시됨)를 보이고 있으나, TDS가 일반 해수보다 농축된 해수 전해질을 사용한 경우의 수소 제조율은 일반 해수를 이용한 수소 제조율에 비해 높고, TDS가 일반 해수보다 낮은 분리 해수 전해질을 사용한 경우에는 수소 제조율이 현저히 떨어지는 결과를 볼 수 있다.
As can be seen in Figure 8, when the general seawater (TDS 33,500mg / L) is fed to the photoelectrochemical hydrogen production apparatus of the present invention to induce a photochemical reaction, the hydrogen production rate is about 200μmol / ㎠-hr (Fig. (Indicated by dashed lines in Fig. 8), but the hydrogen production rate is higher when the TDS is used with concentrated seawater electrolyte than the general seawater, and the separated seawater electrolyte is higher than when the TDS is lower than the general seawater. The results show that the hydrogen production rate is significantly lower.
이상에서는 본 발명을 바람직한 실시예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, This is possible.
10 : 해수 저류부 11 : 해수 저류조
11a : 필터 12 : 해수 온도 조절부
12a : 냉각수 순환 코일 20 : 멤브레인 셀
30 : 해수 공급부 31 : 해수공급배관
32 : 고압 펌프 33 : 댐퍼
34 : 해수공급 압력계 35 : 안전밸브
36 : 바이패스 배관 40 : 분리해수 배출부
41 : 분리해수배관 42 : 분리해수 압력계
43 : 분리해수 유량계 44 : 분리해수 회수관
45 : 분리해수 샘플링부 46 : 분리해수 방향전환밸브
50 : 농축해수 배출부 51 : 농축해수배관
52 : 농축해수 압력계 53 : 농축해수 유량계
54 : 유량조절밸브 55 : 농축해수 샘플링부
56 : 농축해수 방향전환밸브 110 : 티타니아 광애노드
120 : 애노드 전해질부 130 : 캐소드
140 : 캐소드 전해질부 150 : 나노여과 멤브레인
160 : 솔라셀10: seawater reservoir 11: seawater reservoir
12a: cooling water circulation coil 20: membrane cell
30: seawater supply unit 31: seawater supply piping
32: high pressure pump 33: damper
34: seawater supply pressure gauge 35: safety valve
36: bypass piping 40: separated sea water discharge
41: separate seawater pipe 42: separated seawater pressure gauge
43: separate seawater flow meter 44: separated seawater recovery pipe
45: separated seawater sampling unit 46: separated seawater direction switching valve
50: concentrated seawater discharge part 51: concentrated seawater piping
52: concentrated seawater pressure meter 53: concentrated seawater flow meter
54 flow
56: concentrated seawater diverter valve 110: titania photoanode
120: anode electrolyte portion 130: cathode
140: cathode electrolyte 150: nanofiltration membrane
160: solar cell
Claims (11)
금속 티타늄 지지체의 표면에 광촉매 티타니아(TiO2)가 양극산화에 의해 튜브형으로 적층되고 빛에 노출되도록 형성되되, 총 전해질 100중량부에 대하여 1∼3 중량부의 불화암모늄(NH4F)과 2∼4 중량부의 물(H2O) 및 93∼97 중량부의 에틸렌글리콜(C2H6O2)로 이루어진 혼합 성분 전해액에서 40∼60V의 인가전압과 0.05∼0.15A의 인가전류로 양극산화된 후, 450∼650℃에서 열처리되어 이루어지는 티타니아 광애노드;
해수 전해질을 수용하며 상기 티타니아 광애노드가 침지되는 애노드 전해질부;
백금 소재로 이루어져 수소를 발생시킬 수 있게 되는 캐소드;
해수 전해질을 수용하며 상기 캐소드가 침지되는 캐소드 전해질부;
상기 애노드 전해질부와 상기 캐소드 전해질부 사이에 개재되어 애노드 전해질부와 캐소드 전해질부 사이에 이온 교환이 이루어질 수 있도록 하되, 분획분자량 200인 폴리아미드로 이루어진 나노여과 멤브레인;
상기 티타니아 광애노드와 상기 캐소드에 도선으로 연결되며 빛에 노출되도록 형성된 솔라셀을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 해수 전해질을 이용하는 광전기화학적 수소제조장치.In the photoelectrochemical hydrogen production apparatus using the seawater or natural seawater concentrated by the seawater electrolyte separation / concentrator comprising a seawater reservoir, a membrane cell, a seawater supply, a seawater discharge and a concentrated seawater discharge.
On the surface of the metal titanium support, the photocatalyst titania (TiO 2 ) is formed to be laminated in a tubular shape by anodization and exposed to light, and 1 to 3 parts by weight of ammonium fluoride (NH 4 F) and 2 to 3 parts by weight of the total electrolyte are used. After being anodized at an applied voltage of 40 to 60 V and an applied current of 0.05 to 0.15 A in a mixed component electrolyte consisting of 4 parts by weight of water (H 2 O) and 93 to 97 parts by weight of ethylene glycol (C 2 H 6 O 2 ). A titania photoanode which is heat-treated at 450 to 650 캜;
An anode electrolyte portion accommodating a seawater electrolyte and immersing the titania photoanode;
A cathode made of platinum material to generate hydrogen;
A cathode electrolyte portion accommodating seawater electrolyte and having the cathode immersed therein;
A nanofiltration membrane interposed between the anode electrolyte portion and the cathode electrolyte portion to enable ion exchange between the anode electrolyte portion and the cathode electrolyte portion, wherein the nanofiltration membrane is formed of polyamide having a molecular weight of 200;
And a solar cell connected to the titania photoanode and the cathode by conducting wires and configured to be exposed to light.
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|---|---|---|---|---|
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