KR101732188B1 - 탄소전극을 이용한 전기흡착식 수처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소전극을 이용한 전기흡착식 수처리장치에 관한 것으로, 전기흡착식 수처리장치에 사용되는 흡착전극 중 양극으로 사용되는 흡착전극에만 선택적으로 백금을 담지하여 산소 과전압을 높여줌으로써, 1.2 V 보다 높은 인가전압에서도 물의 전기분해를 방지하여 이온흡착효율을 높인 전기흡착식 수처리장치를 제공한다.

Description

탄소전극을 이용한 전기흡착식 수처리장치{Apparatus for treating water using capacitive deionization and carbon electrode}

본 발명은 경도성분이나 이온물질이 높은 해수나 민물 또는 상수를 사용하는 가정, 회사 등에서 물의 경도성분 또는 이온물질을 저감하는 전기흡착식(CDI: Capacitive Deionization) 수처리장치용 양전극과 이의 제조방법, 상기 양전극을 포함하는 셀, 이 셀을 포함하는 수처리장치 및 수처리방법에 관한 것이다.

본 발명의 탄소전극을 사용한 전기흡착식 수처리장치는 해수의 담수화, 염수의 담수화, 폐수처리, 실험실용 용수처리, 가정의 목욕용, 식기 세척용 등에 활용될 수 있다.

기존의 전기흡착식 수처리장치에 사용되는 흡착전극은 활성탄소섬유시트, 활성탄소섬유 부직포 시트, 탄소흡착전극 등으로 구성되어, 그 구성물질이 모두 활성탄소로 이루어진 특징을 가지고 있다. 기존의 흡착전극을 이용한 전기흡착식 수처리장치는 양극 및 음극에 모두 단일 종류의 탄소성분으로 이루어진 흡착전극을 사용하고 있다.

이와 같은 전기흡착식 수처리장치는 흡착전극에 이온을 흡착하기 위하여 전기를 인가하게 되는데, 인가전압이 1.2 V를 넘어가게 될 경우 전극에서 전기분해가 일어나게 되어, 산소 및 수소 기포가 전극의 표면에 덮여 흡착효율이 현저하게 저하되며, 전극의 열화를 촉진하게 된다.

일반적으로 전기흡착식 수처리장치의 운전 초기에는 인가된 전압이 흡착전극에 이온을 흡착하는데 사용되기 때문에, 약간 높은 인가전압, 즉 3 V 가까이 까지도 전기분해가 일어나지 않을 수도 있다.

그러나, 흡착전극에 흡착이 진행됨에 따라 결국 1.2 V 이상에서는 전기분해가 필연적으로 일어나게 되며, 이를 장치의 운전 중 인가전압의 조정을 통해 조정하기는 극히 어려운 실정이다.

따라서, 모든 전기흡착식 수처리장치의 기본적인 인가전압의 상한선은 1.2 V 이며, 이로 인해 해수와 같이 이온이 다량 포함된 물의 처리는 아직까지 불가능한 실정이었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전기흡착식 수처리장치에 사용되는 흡착전극 중 양극으로 사용되는 흡착전극에만 선택적으로 백금을 담지하여 산소 과전압을 높여줌으로써, 1.2 V 보다 높은 인가전압에서도 물의 전기분해를 방지하여 물 중의 이온흡착효율을 높일 수 있는 전기흡착식 수처리장치용 양전극과 이의 제조방법, 상기 양전극을 포함하는 셀, 이 셀을 포함하는 수처리장치 및 수처리방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 탄소흡착전극에 백금을 담지한 것을 특징으로 하는 전기흡착식 수처리장치용 양전극을 제공한다.

본 발명에서 사용되는 탄소흡착전극은 활성탄소와 고분자바인더를 포함는 전극, 활성탄소섬유로 직조된 시트, 활성탄소섬유 부직포 시트, 활성탄분말을 시트상으로 성형한 전극, 전도성 탄소흡착전극 등으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명은 백금용액에 탄소흡착전극을 침지한 후 건조시키고 가열하는 단계를 포함하는 전기흡착식 수처리장치용 양전극의 제조방법을 제공한다.

본 발명에서 양전극의 백금 담지용으로 사용되는 백금용액은 Pt(NH₃)₆Cl₄, Pt(NH₃)₄Cl₄, K₂PtCl₄ 및 H₂PtCl₆H₂O 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.

또한, 본 발명은 서로 마주보는 한 쌍의 집전체; 및 한 쌍의 집전체 사이에 설치되고, 탄소흡착전극에 백금을 담지한 양전극, 및 탄소흡착전극으로 이루어진 음전극을 포함하는 한 쌍의 흡착전극을 구비하는 전기흡착식 수처리장치용 셀을 제공한다.

본 발명의 전기흡착식 수처리장치용 셀은 한 쌍의 흡착전극 사이에 양이온교환막, 유로형성판 및 음이온교환막을 추가로 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 처리대상수를 공급하는 유입관과 처리수를 배출하는 배출관을 구비하는 반응기; 반응기 내부에 설치되고 서로 마주보는 한 쌍의 집전체; 한 쌍의 집전체 사이에 설치되고, 탄소흡착전극에 백금을 담지한 양전극, 및 탄소흡착전극으로 이루어진 음전극을 포함하는 한 쌍의 흡착전극; 반응기에 직류전압을 공급하는 정류기; 및 정류기와 연결되어 집전체에 전압을 인가하는 전압인가선을 구비하는 전기흡착식 수처리장치를 제공한다.

본 발명의 전기흡착식 수처리장치는 집전체를 직렬연결선으로 연결하여 다단의 셀을 구성할 수 있다.

또한, 본 발명은 탄소흡착전극에 백금을 담지한 양전극, 및 탄소흡착전극으로 이루어진 음전극을 포함하는 한 쌍의 흡착전극을 구비하는 전기흡착식 수처리장치에 처리대상수를 유입시켜 처리대상수 중 이온을 흡착시키는 단계를 포함하는 전기흡착식 수처리방법을 제공한다.

본 발명에서 처리대상수는 해수, 민물, 상수, 염수, 폐수, 하수, 지하수 등으로, 경도성분이나 이온물질을 함유하는 모든 물을 처리할 수 있다.

본 발명은 전기흡착식 수처리장치에 사용되는 흡착전극 중 양극으로 사용되는 흡착전극에만 선택적으로 백금을 담지하여 산소과전압을 높여줌으로써, 1.2 V 보다 높은 인가전압에서도 물의 전기분해를 방지하여 이온흡착효율을 높인 전기흡착식 수처리장치를 제공한다. 흡착전극에 인가전압을 높이면 물 중의 이온상이 흡착전극으로 이동하는 효율이 높아져서, 보다 적은 면적의 흡착전극을 사용하여 장치를 구성할 수 있어 장치 제작비용이 적게 들며, 물 중에 낮은 이온농도에서도 높은 흡착효율을 얻을 수 있어 전기흡착식 수처리장치의 운전효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 특히, 단위면적당 이온의 흡착효율이 높아짐에 따라, 현재 상용화가 이루어지지 않고 있는 해수담수화 분야에 적용이 가능한 전기흡착식 담수화장치의 구성이 가능하다.

도 1은 전기흡착식 수처리장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 CDI 다단 셀의 세부 적층 측면도이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1은 전기흡착식 수처리장치의 개략적인 구성도로서, 전기흡착식 수처리장치는 처리대상수 중의 이온을 양이온과 음이온으로 각각 흡착한 후 탈착 제거하여 정화시키는 반응기(8), 반응기(8)에 처리대상수를 공급하는 유입관(18), 반응기(8)에 직류전압을 공급하는 정류기(2), 반응기(8) 내부에 설치되는 양극집전체(14), 반응기(8) 내부에 설치되는 음극집전체(6), 양극집전체(14)에 양전압을 인가하는 양전압인가선(12), 음극집전체(6)에 음전압을 인가하는 음전압인가선(10), 양극집전체(14)와 음극집전체(6)를 직렬로 연결하는 스택간 직렬연결선(16), 반응기(8)로부터 처리수를 배출하는 배출관(4) 등으로 구성되어 있다.

도 2는 CDI 다단 셀의 세부 적층 측면도로서, CDI 셀은 집전체와 흡착전극 및 이온교환막 등으로 구성된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전기흡착식 수처리장치의 CDI 셀은 집전체(20, 32, 44), 이 집전체(20, 32, 44)에 접촉한 전극(22, 30, 34, 42, 46, 54), 양이온교환막(24, 36, 48) 및 음이온교환막(28, 40, 52)을 포함하고, 유로형성판(26, 38, 50)의 라인을 따라 처리대상수의 유로(A, A1, A2, A3)가 형성된다. 이때 처리대상수 중의 양이온은 양이온교환막(24, 36, 48)을 통과하여 음전극(22, 34, 46)에 흡착되고, 음이온은 음이온교환막(28, 40, 52)을 통과하여 양전극(30, 42, 54)에 흡착됨으로써, 장치를 통과한 처리대상수는 경도성분 등의 이온이 제거된 깨끗한 물이 된다.

기존의 전기흡착식 수처리장치의 흡착전극은 양전극과 음전극 모두 동일한 재질의 탄소전극을 사용하였다. 탄소전극에 전압을 1.2 V 이상 인가하게 되면, 물의 전기분해에 의해 양전극에서는 산소가 발생하고 음전극에서는 수소가 발생하게 된다.

기존의 전기흡착식 수처리장치에 사용되는 흡착전극에서 주재료인 탄소의 특성상 수소 과전압이 높기 때문에 음전극은 별도의 처리 없이 탄소성분의 흡착전극을 그대로 사용하여도 문제가 없으며, 양전극의 산소 과전압에 의해 전기분해가 일어나는 전압이 결정되었다.

따라서, 본 발명에서는 음전극(22, 34, 46)은 기존의 흡착전극을 그대로 사용하고, 양전극(30, 42, 54)은 흡착전극에 백금을 담지하여 산소과전압을 높여줌으로써 보다 높은 인가전압에서도 물의 전기분해가 일어나지 않고 운전이 가능하다.

음전극(22, 34, 46)에 사용되는 탄소흡착전극으로는 활성탄소섬유로 직조된 시트, 활성탄소섬유 부직포 시트, 활성탄분말을 시트상으로 성형한 전극 또는 전도성 탄소흡착전극 등을 사용할 수 있다.

양전극(30, 42, 54)은 탄소흡착전극에 백금을 담지한 것으로, 전기도금 또는 촉매 제조용으로 사용되는 백금용액에 상기의 탄소전극을 일정시간 침지한 후, 건조시키고 100℃ 이상에서 가열 또는 진공 가열하여 담지를 완료할 수 있다. 백금용액으로는 Pt(NH₃)₆Cl₄, Pt(NH₃)₄Cl₄, K₂PtCl₄, H₂PtCl₆H₂O 등을 사용할 수 있다.

집전체(20, 32, 44)는 정류기(2)로부터 전압인가선(10, 12)을 통해 전극(22, 30, 34, 42, 46, 54)에 전류를 공급했을 때 전기장이 전극(22, 30, 34, 42, 46, 54) 표면에 균일하게 분포할 수 있도록 전도성이 우수한 것을 사용하며, 이러한 예로는 알루미늄, 니켈, 구리, 티타늄, 철, 스테인레스 스틸, 흑연 등을 사용할 수 있다.

양이온교환막(24, 36, 48) 및 음이온교환막(28, 40, 52)과 같은 이온교환막을 사용하는 주된 이유는 흡착전극에 흡착된 이온상을 떨어뜨리는 이온의 탈착과정, 즉 장치의 재생운전 과정에서 흡착전극에서 탈착된 이온이 반대편 흡착전극에 붙는 것을 방지하기 위함이다. 전기흡착식 수처리장치의 운전이 진행됨에 따라, 양극집전체와 접촉된 양극흡착전극 측에는 음이온의 흡착이 진행되어 음이온의 농도가 높아지게 되고, 음극집전체와 접촉된 음극흡착전극 측에는 양이온의 흡착이 진행되어 양이온의 농도가 높아지게 된다. 이 상태에서 재생을 위해 인가되는 전압을 반대로 걸어주게 되면, 각 흡착전극에 흡착되어 있던 이온들이 동시에 탈착되게 되고, 탈착된 고농도의 이온이 반대 전압을 띄고 있는 마주보고 있는 흡착전극 쪽으로 이동하게 된다. 마주보고 있는 흡착전극으로 이동된 이온은 장치의 정상운전시와 같이 흡착전극에 일시에 흡착되어 재생효율을 심각하게 떨어뜨리게 된다. 이때 이온교환막은 이동한 이온이 흡착전극에 흡착되는 것을 막아주는 장벽의 역할을 하게 됨에 따라, 탈착된 이온들이 유로를 따라 외부로 배출될 수 있게 된다.

양이온교환막(24, 36, 48)의 경우 이온교환기로서 강산성인 설폰산 그룹 또는 약산성인 카르복실산 그룹을 사용하고, 음이온교환막(28, 40, 52)의 경우 주로 강염기성인 4차암모늄 그룹을 이온교환기로 사용한다. 상용 막의 예를 들면, NEOSEPTA(Tokuyama Co. Ltd., Japan), SELEMION(Asahi Glass Company, Japan) 등은 기본소재로 스티렌-디비닐벤젠의 공중합물 또는 스티렌-부타디엔의 공중합물을 사용한다.

유로형성판(26, 38, 50)은 망사구조를 갖는데, 이러한 망사구조에 의해 유로형성판(26, 38, 50)의 내부에는 자체의 유로가 형성되어 처리대상수와 같은 유체가 흐를 수 있다. 유로형성판(26, 38, 50)으로는 예를 들어 망사구조를 갖는 망사천 등을 사용할 수 있다.

본 발명의 전기흡착식 수처리장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 집전체(6, 14)를 직렬연결선(16)을 이용하여 직렬로 연결함으로써, 다단의 셀을 구성하는 것이 바람직하다. CDI 셀을 다단의 스택으로 구성할 때, 다수의 집전체 및 흡착전극이 도 1 및 도 2에서처럼 양극 및 음극으로 구분되어 교대로 배열된다.

본 발명은 기존 전기흡착식 수처리장치에서 사용하는 흡착전극의 효율을 높이기 위한 구성을 제공하여 이온의 흡착효율을 향상시킴으로써, 현재 전세계적으로 개발 및 상용화가 전무한 해수담수용 전기흡착식 수처리장치에 적용이 가능하다.

본 발명은 기존의 전기흡착식 담수화기술의 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술로서, 현재 흡착전극의 흡착효율 한계로 인해 해수담수용 전기흡착법의 개발이 지연되고 있었던 실정에서 상용화 설비의 제작 및 운용에서 우위를 점유할 수 있다.

본 발명에 따른 전기흡착식 수처리장치는 기존의 대표적인 수처리장치인 역삼투막 방식을 대체할 수 있는 경쟁력을 갖춘 유일한 장치로서, 향후 물을 사용하는 가전제품, 순수처리, 폐수처리, 해수처리, 해수담수화, 염수담수화, 지표수담수화, 실험실과 공장의 수처리 등 수처리 분야의 전 영역에서 광범위하게 응용이 가능한 기술이다.

2: 정류기
4: 배출관
6: 음극집전체
8: 반응기
10: 음전압인가선
12: 양전압인가선
14: 양극집전체
16: 직렬연결선
18: 유입관
20, 32, 44: 집전체
22, 30, 34, 42, 46, 54: 전극
24, 36, 48: 양이온교환막
26, 38, 50: 유로형성판
28, 40, 52: 음이온교환막

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9. 산소 과전압을 높여주어 1.2 V보다 높은 인가전압에서도 물의 전기분해를 방지하여 해수와 염수에도 적용 가능한 전기흡착식 수처리장치로서,
   처리대상수를 공급하는 유입관과 처리수를 배출하는 배출관을 구비하는 반응기;
   반응기 내부에 설치되고 서로 마주보는 한 쌍의 집전체;
   한 쌍의 집전체 사이에 설치되고, 탄소흡착전극에 백금을 담지한 양전극, 및 탄소흡착전극으로 이루어진 음전극을 포함하는 한 쌍의 흡착전극;
   한 쌍의 흡착전극 사이에 설치되는 양이온교환막, 유로형성판 및 음이온교환막;
   반응기에 직류전압을 공급하는 정류기; 및
   정류기와 연결되어 집전체에 전압을 인가하는 전압인가선을 구비하며,
   집전체는 알루미늄, 니켈, 구리, 티타늄, 철, 스테인레스 스틸 또는 흑연으로 구성되고,
   양전극은 Pt(NH₃)₆Cl₄, Pt(NH₃)₄Cl₄ 중에서 선택되는 1종 이상의 백금용액에 탄소흡착전극을 침지한 후 건조시키고 가열함으로써 제조되며,
   탄소흡착전극은 활성탄소섬유로 직조된 시트 또는 활성탄소섬유 부직포 시트이고,
   양이온교환막은 기본소재로서 스티렌-디비닐벤젠의 공중합물 또는 스티렌-부타디엔의 공중합물, 그리고 이온교환기로서 설폰산 그룹 또는 카르복실산 그룹을 포함하며,
   음이온교환막은 기본소재로서 스티렌-디비닐벤젠의 공중합물 또는 스티렌-부타디엔의 공중합물, 그리고 이온교환기로서 4차암모늄 그룹을 포함하고,
   유로형성판은 망사구조를 갖는 망사천이며,
   집전체가 직렬연결선으로 연결되어 다단의 셀을 구성하는 것을 특징으로 하는 전기흡착식 수처리장치.
   
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13. 제9항에 따른 전기흡착식 수처리장치에 처리대상수를 유입시켜 처리대상수 중 이온을 흡착시키는 단계를 포함하는 전기흡착식 수처리방법.
    
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