KR102043263B1

KR102043263B1 - 바이폴라 cdi 전극, 바이폴라 cdi 전극 모듈 및 이를 포함하는 수처리 장치

Info

Publication number: KR102043263B1
Application number: KR1020180039292A
Authority: KR
Inventors: 최현성; 조용현; 유장용
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2018-04-04
Filing date: 2018-04-04
Publication date: 2019-11-27
Anticipated expiration: 2038-04-04
Also published as: CN110342614B; CN110342614A; US20190308893A1; US11524910B2; KR20190115963A

Abstract

본 발명에서는 중심에 홀이 형성된 원형의 집전체; 및 상기 집전체의 내주연 및 외주연에 소수성 폴리머 코팅층이 적용된 바이폴라 CDI 전극을 제공함으로써, 전극의 부식 문제를 해소할 수 있으며, 이러한 바이폴라 CDI 전극이 포함된 바이폴라 CDI 전극 모듈의 각 부품이 탈부착 가능하도록 형성되어 유지 관리가 용이하며, 전극 단자의 표면에 소수성 폴리머 코팅층이 적용되어 단자의 부식 문제가 해소될 수 있다. 또한, 이러한 바이폴라 CDI 전극 모듈이 포함된 수처리 장치를 제공함으로써 수처리 효율이 높으며, 장기 안정성이 우수하고 유지 관리가 용이한 수처리 장치를 제공할 수 있다.

Description

바이폴라 CDI 전극, 바이폴라 CDI 전극 모듈 및 이를 포함하는 수처리 장치{Bipolar CDI electrode, bipolar CID electrode module and water treatment apparatus using the same}

본 발명은 바이폴라 CDI(Bipolar Capacitive Deionization) 전극, 바이폴라(Bipolar) CDI 전극 모듈 및 이를 포함한 수처리 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 단자 구조로 인한 전류 손실, 불균일 전압 및 부식 발생의 문제를 감소시키면서 동시에 장기 안정성을 향상시키기 위해 탈착식 전극을 적용함으로써 유지 보수가 용이한 바이폴라 CDI 전극, 바이폴라 CDI 전극 모듈 및 이를 포함하는 수처리 장치에 관한 것이다.

축전식 탈염(Capacitive Deionization, CDI) 기술은 하전된 전극 계면에 형성되는 전기이중층(Electric Double Layer, EDl)에서 이온의 흡착 및 탈착 과정을 통해 원수에 포함된 이온성 불순물을 제거하는 기술이다. 구체적으로는, 원수의 전기분해반응이 일어나지 않는 전위 범위 내에서 전압을 인가하면, 전극에는 일정한 전하가 하전된다. 이렇게 하전된 전극에 이온을 포함하는 원수인 염수(brine water)를 통과시키면 하전된 전극과 반대 전하를 갖는 원수 내 이온들이 정전기적 인력에 의해 각각의 전극으로 이동하여 전극 표면에 흡착되고, 전극을 통과한 물은 이온이 제거된 순수(desalinated water)가 된다.

이때, 전극에 흡착되는 이온의 양은 전극의 정전용량(Capacitance)에 따라 결정되므로, CDI에 사용되는 전극은 일반적으로 비표면적이 큰 다공성 탄소전극(Carbon Electrode)이 사용된다.

한편, 전극의 흡착 용량이 포화되면 더 이상의 이온을 흡착할 수 없게 되어 유입수의 이온들이 그대로 유출수에 포함되어 배출될 수 있다. 따라서 전극에 흡착된 이온들을 탈착시키기 위해 흡착량이 포화된 전극들을 쇼트(short) 시키거나 전극에 흡착 전위와 반대 전위를 인가함으로써 흡착된 이온들을 빠르게 탈착시키는 전극의 재생을 수행하게 된다.

이와 같이 CDI 기술은 전극의 전위를 변화시켜서 흡착과 탈착이 이루어지기 때문에, 공정의 운전이 매우 간편하고 탈염 과정에서 환경오염 물질을 배출하지 않는 환경 친화적인 탈염 공정으로 알려져 있다.

또한, 상기 CDI의 개량된 일 실시예인 MCDI(Membrane Capacitive Deionization Device)는 전극 표면에 이온교환막을 형성하여 흡착되는 이온의 선택도를 높일 수 있으나, 이러한 MCDI는 고가의 이온교환막 사용으로 인해 전체적인 CAPEX 비용을 높인다는 문제가 있었다.

한편, 종래의 CDI 또는 MCDI는 염의 제거효율을 증가시키기 위하여 유로를 100㎛ 정도로 좁게 설계하는 것이 일반적이다. 그러나, 이러한 종래의 CDI 또는 MCDI는 좁은 유로로 인하여 파울링 현상이 발생하기 쉬우며, 대면적의 직렬구조 CDI 모듈을 제조하기 어려워, 생산성을 높이는 데에도 한계가 있었다.

뿐만 아니라, 종래의 CDI 전극은 사각형으로 제조되어 모서리 부분에서 탈염 반응이 일어나지 않고 오히려 부식되어 탈염 효율이 저하되어, 이러한 문제를 개선하기 위해 원형의 CDI 전극으로 변형되었다. 원형의 CDI 전극은 전기 단자가 연결될 수 있도록 원형의 집전체로부터 돌출된 집전체를 구비해야 하는데, 전기 단자가 부식되는 경우 집전체의 돌출 구조에 열화가 발생되고, 이로 인한 크랙이 유발되는 문제가 있었다.

또한, 종래의 CDI 전극은 장기 운전시 전기 화학 반응에 따른 전기 단자의 부식으로 인해 전압이 불균해지고 저항이 상승하여 안정적인 장기 운용이 곤란하였다.

이에, 파울링 현상이 최소화되고, 부식 문제가 없으며, 장기 안정성이 향상된 CDI 전극의 개발이 필요한 실정이다.

한국공개특허 제10-2018-0016091호 (2018.02.14 공개)

본 발명은 파울링 현상이 최소화되고, 전극 모서리 부분의 부식 문제가 없으며, 장기 안정성이 향상된 바이폴라 CDI 전극, 상기 바이폴라 CDI 전극이 포함된 바이폴라 CDI 전극 모듈 및 상기 바이폴라 CDI 전극 모듈을 포함하는 수처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 형태는, 중심부에 홀이 형성된 원형의 집전체; 상기 집전체의 일면 및 타면에 형성된 나노 카본 코팅층; 및 상기 집전체의 내주연 및 외주연에 형성된 소수성 폴리머 코팅층;을 포함하는 바이폴라 CDI 전극에 관한 것이다.

상기 바이폴라 CDI 전극의 일면에는 양극이, 타면에는 음극이 형성될 수 있으며, 상기 소수성 폴리머 코팅층은, 폴리 테트라 플루오르 에틸렌(PTFE), 폴리 비닐리덴 플루오르 라이드(PVDF), 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리 프로필렌(PP), 메틸 사이클로 헥산 및 에폭시로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 고분자를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시 형태는, 중심부에 홀이 형성된 원통형의 모듈 하우징; 상기 모듈 하우징의 양단에 구비되며, 중심부에 홀이 형성된 제1유입캡; 및 유출캡; 상기 제1유입캡과 상기 유출캡의 사이에 소정 간격 이격되어 순차적으로 배치되는 제2유입캡; 및 바이폴라 CDI 전극; 상기 제1유입캡을 관통하여 상기 제2유입캡에 결합되는 제1단자; 및 상기 유출캡에 결합되는 제2단자;를 포함하는 바이폴라 CDI 전극 모듈에 관한 것이다.

상기 제1단자 및 상기 제2단자는 구리 재질이고, 제1단자의 일부 외주연에 소수성 폴리머 코팅층이 형성될 수 있으며, 상기 소수성 폴리머 코팅층은, 폴리 테트라 플루오르 에틸렌(PTFE), 폴리 비닐리덴 플루오르 라이드(PVDF), 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리 프로필렌(PP), 메틸 사이클로 헥산 및 에폭시로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 고분자를 포함할 수 있다.

상기 제2유입캡은, 제1구리층; 제1집전체층; 제1나노 카본 코팅층;을 포함할 수 있고, 상기 제1구리층과 상기 제1집전체층은 제1캡 하우징으로 완전히 밀봉될 수 있으며, 상기 유출캡은, 제2구리층; 제2집전체층;제2나노 카본 코팅층;을 포함할 수 있고, 상기 제2구리층과 상기 제2집전체층은 제2캡 하우징으로 완전히 밀봉될 수 있다.

또한, 상기 제1단자는 제1구리층까지 관통하며, 상기 바이폴라 CDI 전극 모듈로부터 탈부착 가능하도록 형성될 수 있다.

이때, 상기 제1구리층과 상기 제1집전체층의 사이, 및 상기 제2구리층과 상기 제2집전체층의 사이에는, 전도성 접착제층이 추가로 더 형성될 수 있으며, 상기 전도성 접착제층은, 니켈 페이스트, 은 페이스트, 구리 페이스트, 백금 페이스트, 금 페이스트 및 철 페이스트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 금속 페이스트를 포함할 수 있다.

상기 바이폴라 CDI 전극의 내주연 및 외주연에 소수성 폴리머 코팅층이 형성될 수 있으며, 상기 바이폴라 CDI 전극의 일면 및 타면에 나노 카본 코팅층이 형성될 수 있다.

상기 소수성 폴리머 코팅층은, 폴리 테트라 플루오르 에틸렌(PTFE), 폴리 비닐리덴 플루오르 라이드(PVDF), 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리 프로필렌(PP), 메틸 사이클로 헥산 및 에폭시로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 고분자를 포함할 수 있다.

상기 제1단자 및 상기 제2단자 중 어느 하나의 단자에는 양극이, 다른 하나의 단자에는 음극이 형성될 수 있으며, 상기 바이폴라 CDI 전극의 일면에는 양극이, 타면에는 음극이 형성될 수 있다. 이때, 상기 바이폴라 CDI 전극은, 복수 개로 형성될 수 있다.

상기 제1유입캡은, 상기 모듈 하우징으로부터 탈부착 하도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2유입캡에는, 상기 모듈 하우징으로부터 탈부착 가능하도록 외주연을 따라 제1나사산이 형성될 수 있으며, 동시에 일부 외주연에 상기 모듈 하우징의 길이 방향을 따라 유로홈이 형성될 수 있다. 또한, 상기 유출캡에는, 상기 모듈 하우징으로부터 탈부착 가능하도록 외주연을 따라 제1나사산이 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시 형태는, 원수 공급관; 상기 원수 공급관에서 공급된 원수에 포함된 입자상의 물질을 여과하는 카트리지 필터; 및 상기 카트리지 필터를 통해 여과된 여과액을 담수화하는 상기 바이폴라 CDI 전극 모듈;을 포함하는 수처리 장치에 관한 것이다.

상기 수처리 장치에는 상기 바이폴라 CDI 전극 모듈이 복수 개 포함되어, 병렬 및/또는 직렬 형태로 배치될 수 있다.

본 발명의 바이폴라 CDI 전극은 원형으로 형성되어 사각 CDI 전극의 모서리 부분에서 발생하는 부식 문제가 해소되고, 원형 CDI 전극의 일면에 돌출된 집전체를 제거함으로써 전극이나 돌출된 집전체의 부식으로 인한 크랙 형성 문제가 해소될 수 있다.

또한, 본 발명의 바이폴라 CDI 전극 모듈은 이를 구성하는 각 구성요소가 탈부착 가능하도록 형성되어 유지보수가 용이하고, 전극 및 집전체가 물과 직접적으로 접촉하는 부분에 소수성 폴리머 코팅층을 함으로써 부식 가능성을 최소화 시키는 효과를 가지며, 이러한 특성으로 인해 상기 바이폴라 CDI 전극 모듈을 포함한 수처리 장치는 기존의 수처리 장치보다 월등히 향상된 수명을 갖는 장점이 있다.

도 1(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 CDI 전극(10)을 도식적으로 나타낸 사시도이고, 도 1(b)는 이러한 바이폴라 CDI 전극(10)의 단면을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 종래의 CDI 전극(15)을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 CDI 전극 모듈(100)을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 바이폴라 CDI 전극 모듈(100)의 제1유입캡(30)을 보여주는 사시도이다.
도 5는 바이폴라 CDI 전극 모듈(100)의 제2유입캡(40)을 보여주는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 CDI 전극 모듈(100)을 이용한 수처리 장치(200)의 구성 요소를 배치를 보여주는 블록도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예와 도면을 통해 상세히 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 밝혀둔다.

또한, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함” 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 사용하였다.

도 1(a)와 1(b)를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라(Bipolar) CDI 전극(10)은 중심부에 홀이 형성된 원형의 집전체(11); 집전체(11)의 일면 및 타면에 형성된 나노 카본 코팅층(13); 및 집전체(11)의 내주연 및 외주연에 형성된 소수성 폴리머 코팅층(12a);을 포함한다.

종래의 CDI 전극(15)은 도 2에 도시된 바와 같이 중심부에 홀이 형성된 원형의 집전체(11)와, 집전체(11)로부터 돌출되어 있는 돌출형 집전체(16)를 포함하고, 돌출형 집전체(16)에 홀이 형성되며, 이 홀에 SUS 단자가 삽입 됨으로써 CDI 전극(15)에 양극 도는 음극이 형성된다.

이러한 종래의 CDI 전극(15)은 충전 및 방전 시, 전기화학 반응으로 인해 SUS 단자의 부식이 발생하며, 이러한 부식으로 인해 전류 손실 및 저항 상승이 유발되어 전압이 불균일해지고, 이로 인해 염 제거율이 감소되는 문제가 존재한다. 또한, 이러한 경우 돌출형 집전체(16)에 부식 및 열화 현상이 발생되고, 이로 인해 크랙, 과전압 및 과전류가 유발되어 CDI 전극(15)이 손상되는 문제가 있었다.

그러나, 본 발명의 바이폴라 CDI 전극(10)은 집전체(11)로부터 돌출되어 있는 돌출형 집전체(16)가 제거되어 존재하지 않는 바이폴라 방식으로 운용됨으로써, 종래의 CDI 전극(15)의 문제점인 돌출형 집전체(16)의 크랙 발생, 과전압 및 과전류 등의 문제가 발생하지 않으므로 전극의 장기 안정성이 향상될 수 있다.

또한, 집전체(11)의 일면 및 타면에 나노 카본 코팅층(13)이 형성되어 일면 및 타면에서의 이온 흡착 효율이 향상되고, 집전체(11)의 내주연 및 외주연에 소수성 폴리머 코팅층(12a)이 형성되어 이온 흡착이 일어나지 않고 부식이 방지되는 효과가 존재한다.

이때, 순차적으로 집전체(11)의 전면에 나노 카본 코팅층(13)이 형성되고, 나노 카본 코팅층(13)이 형성된 집전체(11)의 내주연 및 외주연에 소수성 폴리머 코팅층(12a)이 형성되어 집전체(11)의 일면 및 타면에서만 이온 흡착 반응이 수행되는 것일 수 있다(도 1(b) 참조).

소수성 폴리머 코팅층(12a)은, 폴리 테트라 플루오르 에틸렌(PTFE), 폴리 비닐리덴 플루오르 라이드(PVDF)와 같은 불소계 고분자 및 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리 프로필렌(PP), 메틸 사이클로 헥산, 에폭시로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 고분자를 포함할 수 있으며, 고분자의 종류는 이에 한정되는 것은 아니나, 바람직하게는 메틸 사이클로 헥산, 폴리 테트라 플루오르 에틸렌 및 에폭시로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 고분자를 포함할 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이폴라 CDI 전극 모듈(100)을 도시한 것으로서, 바이폴라 CDI 전극 모듈(100)은 중심부에 홀이 형성된 원통형의 모듈 하우징(20); 모듈 하우징(20)의 양단에 구비되며, 중심부에 홀이 형성된 제1유입캡(30); 및 유출캡(50); 제1유입캡(30)과 유출캡(50)의 사이에 소정 간격 이격 되어 순차적으로 배치되는 제2유입캡(40); 및 바이폴라 CDI 전극(10); 제1유입캡(30)을 관통하여 제2유입캡(40)에 결합되는 제1단자(21); 및 유출캡(50)에 결합되는 제2단자(23);를 포함한다.

상기 모듈 하우징(20)은 원통형이며, 중심부에 홀이 형성된 것으로서, 상기 홀은 원수가 지나가는 통로이다. 원수는 모듈 하우징(20)의 일측으로 진입하여 타측으로 유출되고, 원수 내의 이온들이 원형의 바이폴라 CDI 전극(10)에 흡착 또는 탈착됨으로써 원수 내에 포함된 염 혹은 이온들과 같은 불순물이 제거될 수 있다.

상기 모듈 하우징(20)의 내부에는 순차적으로 제1유입캡(30), 제2유입캡(40), 복수의 바이폴라 CDI 전극(10) 및 유출캡(50)이 배치되어 있으며, 이들은 모두 원형으로 형성되어 종래의 사각형의 CDI 전극을 갖는 모듈의 모서리 부분에서의 탈염 효율 감소 및 부식 문제가 발생되지 않는다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 CDI 전극 모듈(100)의 제1유입캡(30)을 개략적으로 도시한 것으로서, 제1유입캡(30)에는, 중심부에 원수가 모듈 하우징(20) 내부로 유입되는 유로인 홀이 형성되어 있고, 이 홀과 소정 간격 이격된 제1단자홀(36)이 형성되어 있다.

제1유입캡(30)은 모듈 하우징(20)과 탈부착 가능하도록 형성되며, 이는 제1유입캡(3)에 형성된 하나 이상의 나사홀(33)에 의해 이루어질 수 있다. 즉, 제1유입캡(30), 제2유입캡(40) 및 모듈 하우징(20)이 결합된 상태에서, 나사못을 나사홀(33)에 결합함으로써 제1유입캡(30) 및 제2유입캡(40)이 결합되고, 나사못을 제거하면 서로 탈착될 수 있다.

상술한 결합 상태에서 제1유입캡(30)은 중심부에 형성된 홀을 제외한 부분으로는 원수가 모듈 하우징(20) 내부로 유입되지 않도록 모듈 하우징(20)을 밀봉할 수 있다.

이때, 제1유입캡(30)의 중심에 형성된 홀의 외주연, 즉 제1유입캡(30)의 내주연을 따라 제1내부 나사산(39)이 형성되고, 여기에 원수가 공급되는 파이프가 나사결합 됨으로써 원수를 공급받을 수 있다.

도 3과 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 CDI 전극 모듈(100)의 제2유입캡(40)은, 제1캡 하우징(41); 제1캡 하우징(41)의 일면에 순차적으로 적층된 제1구리층(42); 제1집전체층(43); 및 제1나노 카본 코팅층(44);을 포함한다. 이때, 제1캡 하우징(41)은 제1구리층(42)과 제1집전체층(43)을 완전히 둘러싸며, 제1나노 카본 코팅층(44)의 적어도 일부 외주면을 둘러싸도록 형성됨으로써 제1구리층(42)과 제1집전체층(43)이 물과 접촉하는 것이 방지될 수 있다.

또한 상기 제1캡 하우징(41)의 타면은 제1유입캡(30)과 마주보도록 소정 거리 이격되고, 제1나노 카본 코팅층(44)은 바이폴라 CDI 전극(10)과 마주보도록 배치된다.

제2유입캡(40)은 상기 모듈 하우징(20)으로부터 탈부착 가능하도록 외주연을 따라 제1나사산(49)이 형성되고, 모듈 하우징(20)의 길이 방향을 따라 유로홈(46)이 형성되어, 제1유입캡(30)을 통해 모듈 하우징(20) 내부로 유입된 원수가 상기 유로홈(46)을 따라 바이폴라 CDI 전극(10)에 도달할 수 있다.

상기 제1유입캡(30)과 상기 제2유입캡(40)이 상기 모듈 하우징(20) 내부에 결합된 상태에서, 제2유입캡(40)에는 제1유입캡(30)의 제1단자홀(36)에 대응되는 위치에 단자홈(45)이 구비된다. 이 단자홈(45)은 제1캡 하우징(41)을 완전히 관통하도록 형성되어, 제1단자(21)가 제1유입캡(30)을 관통하여 제1구리층(42)과 접촉할 수 있도록 형성된다. 또한 단자홈(45)은 선택적으로 제1구리층(42)의 일부를 관통하도록 형성될 수 있다.

제1단자(21)는 제1유입캡(30) 및 제2유입캡(40)으로부터 탈부착 가능하도록 형성되며, 제1구리층(42)과 접촉하여, 전기적인 통전이 가능하도록 제2유입캡(40)에 결합되는데, 이 결합은 도 3에 도시된 바와 같이 제1단자(21)의 일단에 제1단자 나사산(22)이 형성되어 제1구리층(42)에 나사 결합됨으로써 이루어질 수 있다. 또는, 제1단자(21)와 제1유입캡(30)의 나사결합에 의해 이루어질 수 있고, 이 두 결합수단을 동시에 적용함으로써 이루어질 수도 있다.

또한 제1단자(21)에는, 제1구리층(42)과 접촉하는 일단과 전원에 연결되는 타단을 제외한 표면에 소수성 폴리머 코팅층(12b)이 형성될 수 있다. 따라서 바이폴라 CDI 전극 모듈(100)이 완전 결합되었을 때, 제1단자(21)를 이루는 구리와 같은 전극 소재가 원수와 직접적으로 접촉하지 않으므로, 제1단자(21)의 부식이 방지될 수 있다. 이때, 상기 제1단자(21)와 후술될 제2단자(23)는 구리 재질이 바람직한데, 기존의 SUS 단자보다 전기전도도가 우수한 장점이 있다.

상기 제2유입캡(40)이 제1유입캡(30)을 바라보는 일면에는 결합홈(47)이 형성될 수 있으며, 결합홈(40)은 제2유입캡(40)의 탈부착시 결합홈(40)에 대응되는 형상으로 돌출된 기구를 결합홈(47)에 결합하여 회전시킴으로써 제2유입캡(40)과 모듈 하우징(20)의 탈부착을 도울 수 있다. 이때, 결합홈(47)의 형상은 도 5에 도시된 형태 이외에, 일자, 십자 또는 육각 형태로 형성될 수 있다.

또한 제2유입캡에는, 제1유입캡(30)이 제2유입캡(40)에 결합 가능하도록, 결합홈(47)이 형성된 면과 동일한 면에 하나 이상의 나사홈(미도시)이, 상기 나사홀(33)에 대응되도록 형성될 수 있다.

한편, 상기 바이폴라 CDI 전극(10)은 상술한 것과 동일한 것으로, 중심부에 홀이 형성된 원형의 집전체(11); 집전체(11)의 일면 및 타면에 형성된 나노 카본 코팅층(13); 및 집전체(11)의 내주연 및 외주연에 형성된 소수성 폴리머 코팅층(12a)을 포함한다. 상기 바이폴라 CDI 전극(10)은 복수개로 형성될 수 있으며, 각 바이폴라 CDI 전극(10)은 일정한 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.

이때, 각 바이폴라 CDI 전극(10)들의 사이에는 순차적으로 양이온 교환막, 스페이서 및 음이온 교환막이 배치될 수 있다.

상기 집전체(11)는 종래에 해당 기술 분야에서 사용되던 다양한 소재로 제조된 것일 수 있으나, 흑연으로 제조된 것이 바람직하다. 집전체(11)의 일면 및 타면에는 나노 카본 코팅층(13)이 형성되어 이온 흡착 및 탈착 반응이 일어날 수 있고, 집전체(11)의 내주연 및 외주연에는 소수성 폴리머 코팅층(12a)이 형성되어 부식이 방지될 수 있다.

한편, 유출캡(50)은 제2캡 하우징(51); 제2캡 하우징(51)의 일면에 순차적으로 적층된 제2구리층(52); 제2집전체층(53); 및 제2나노 카본 코팅층(54);을 포함하며, 상기 제2캡 하우징(51)은 상기 제2구리층(52)과 상기 제2집전체층(53)을 완전히 둘러싸도록 형성되고, 제2나노 카본 코팅층(54)의 적어도 일부 외주연을 둘러싸도록 형성됨으로써 제2구리층(52)과 제2집전체층(53)이 물과 접촉하는 것을 방지할 수 있다.

이때 2나노 카본 코팅층(54)은 바이폴라 CDI 전극(10)과 마주보도록 배치된다. 제2나노 카본 코팅층(54)은 제2집전체층(53)의 일면에 나노 카본 분말이 코팅된 것일 수 있으며, 또는 상술한 바이폴라 CDI 전극(10)과 동일한 것일 수 있다.

또한, 상기 유출캡(50)은 CDI 전극 모듈(100) 내부의 물을 배출시킬 수 있도록 중심부에 홀이 형성되어 있는 것으로서, 유출캡(50)에는 모듈 하우징(20)으로부터 탈부착 가능하도록 외주연을 따라 제2나사산(59a)이 형성되며, 동시에 모듈 하우징(20)의 내주연을 따라 제2나사산(59a)에 대응되는 나사산이 형성되어 있어, 유출캡(50)이 모듈 하우징(20)의 일측에 나사결합 방식으로 탈부착 될 수 있다.

또한, 상기 유출캡(50)의 중심부에 형성된 홀의 외주연, 즉 유출캡(50)의 내주연을 따라 제2내부 나사산(59b)이 형성되고, 여기에 배출 파이프가 나사결합 되어 유출수를 바이폴라 CDI 전극(10) 모듈로부터 배출시킬 수 있다.

이때, 유출캡(50)의 내주연을 따라 제2구리층(52)과 제2집전체층(53)이 유출수로부터 완전히 격리되도록 제2캡 하우징(51)이 연장되어 형성될 수 있고, 제2캡 하우징(51)이 연장된 부분에 배출 파이프를 연결하기 위한 제2내부 나사산(59b)이 형성된 것일 수 있다.

또는, 제2캡 하우징(51)이 연장되지 않고, 유출캡(50)의 내주연을 따라 제2내부 나사산(59b)이 형성되며 여기에 소수성 폴리머 코팅이 적용될 수 있다. 이를 통해 유출캡(50)의 내주연에서 제2구리층(52) 및 제2집전체층(53)이 유출수와 완전히 격리되므로, 이들의 부식이 방지될 수 있다.

상기 유출캡(50)의 제2캡 하우징(51)에는, 중심부에 형성된 홀과 소정 간격 이격된 위치에 제2단자홀(56)이 형성되고, 제2단자(23)는 제2단자홀(56)을 관통하여 일단이 제2구리층(52)과 일체화되어 있으며, 타단은 전원과 연결되도록 모듈 하우징(20)의 외부로 노출되도록 형성된다. 이때, 선택적으로 제2단자(23)의 일부 외주연에 소수성 폴리머 코팅층이 형성될 수 있다.

상기 바이폴라 CDI 전극 모듈(100)은 바이폴라 방식으로 구동될 수 있는데, 구체적으로, 상기 제1단자(21) 및 제2단자(23) 중 하나의 단자에는 양전위가 인가되어 양극이 형성되고, 다른 하나의 단자에는 음전위가 인가되어 음극이 형성된다. 이로 인해 각 단자에 연결된 제1구리층(42) 및 제2구리층(52)도 각각 양극 또는 음극을 띄게 되므로, 구리층에 적층되어 있는 제1집전체층(43) 및 제2집전체층(53)에 이들이 접한 구리층과 동일한 전위가 인가된다.

따라서 제1집전체층(43) 과 제2집전체층(53)의 사이에 배치되는 바이폴라 CDI 전극(10)의 일면은 양극으로, 타면은 음극으로 대전되고, 두 바이폴라 CDI 전극(10) 사이로 흐르는 물에 포함된 이온이 반대의 전하를 띄는 전극에 흡착되어 제거될 수 있다.

예를 들어 설명하면, 제1단자(21)에 양전위가, 제2단자(23)에 음전위가 인가되는 경우, 제1구리층(42)과 제1집전체층(43)은 양극으로, 제2구리층(52)과 제2집전체층(53)은 음극으로 대전되고, 이로 인해 복수의 바이폴라 CDI 전극(10)의 제1구리층(42)을 바라보는 일면은 음극으로, 제2구리층(52)을 바라보는 타면은 양극으로 대전됨으로써, 물에 포함된 이온이 제거될 수 있다. 탈착과정은 이와 반대의 전하를 인가함으로써 수행될 수 있다.

한편, 상기 소수성 폴리머 코팅층은, 폴리 테트라 플루오르 에틸렌(PTFE), 폴리 비닐리덴 플루오르 라이드(PVDF)와 같은 불소계 고분자 및 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리 프로필렌(PP), 메틸 사이클로 헥산, 에폭시로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 고분자 소재로 제조되는 것일 수 있으며, 고분자의 종류가 이에 한정되는 것은 아니나, 바람직하게는 메틸 사이클로 헥산, 폴리 테트라 플루오르 에틸렌 및 에폭시로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 고분자를 포함할 수 있다.

상술한 제1캡 하우징(41) 및 제2캡 하우징(51)은 내구성이 뛰어난 엔지니어링 플라스틱 소재로 제조되는 것일 수 있으며, 이에 적용될 수 있는 엔지니어링 플라스틱으로는 폴리 염화 비닐(PVC), 폴리 스티렌(PS), 고밀도 폴리 에틸렌(HDPE), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 공중합체(ABS), 폴리 페닐렌 옥사이드(PPO), 폴리 아미드 (PAm), 폴리 카보네이트(PC), 폴리 부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리 술폰(PSF), 폴리 페닐렌 설파이드(PPS), 폴리 에테르 이미드(PEI), 폴리 에테르 술폰(PES), 폴리 아릴레이트(PAR), 폴리 에테르 에테르 케톤(PEEK), 폴리 테트라 플루오르 에틸렌(PTFE), 폴리 아미드 이미드(PAI) 및 폴리 이미드(PI)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 엔지니어링 플라스틱일 수 있다.

또한, 이들을 유리섬유, 카본섬유 또는 무기필러로 강화한 강화 엔지니어링 플라스틱일 수 있으나, 기계적 성질이 우수하고, 내식성이 뛰어난 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 공중합체(ABS)로 제조되는 것이 바람직하다.

상기 제1구리층(42) 및 제2구리층(52)은 각각 양전위 또는 음전위가 인가되는 것으로서, 3 ~ 10mm의 두께로 제조될 수 있으며, 상기 제1집전체층(43) 및 제2집전체층(53)은 흑연 소재로 제조된 것으로, 100 ~ 500㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

상기 제1구리층(42)과 제1집전체층(43)의 사이, 및 제2구리층(52) 및 제2집전체층(53)의 사이에는, 전도성 접착제층(미도시)이 추가로 더 형성될 수 있으며, 이 전도성 접착제층은 니켈 페이스트, 은 페이스트, 구리 페이스트, 백금 페이스트, 금 페이스트 및 철 페이스트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 금속 페이스트 소재를 포함할 수 있다.

종래의 CDI 전극 모듈은 각 부품이 일체형으로 형성되거나, 하우징, 또는 다른 부품과 탈착 불가능하도록 결합되어 있어, 일부 부품에 문제가 발생하는 경우, 보수를 위해서는 CDI 전극 모듈을 완전히 분리한 뒤 재조립하여야 하는데, 이를 분리하는 것이 곤란하거나 불가능하므로 유지 관리가 어려운 문제가 있었다.

반면, 본 발명의 바이폴라 CDI 전극 모듈(100)은 제1유입캡(30), 제2유입캡(40), 유출캡(50) 및 제1단자(21)가 바이폴라 CDI 전극 모듈(100)로부터 탈부착 가능하도록 결합되어 있어, 바이폴라 CDI 전극 모듈(100) 운용시 문제가 발생하는 경우, 각 부품을 손쉽게 분리하여 보수한 뒤 재사용할 수 있다. 보수가 불가능한 경우에는 부품의 교체도 용이하기 때문에 유지 관리가 효율적이며 간편하게 이루어질 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 바이폴라 CDI 전극 모듈(100)을 이용한 수처리 장치(200)는, 원수 공급관(201); 상기 원수 공급관(201)에서 공급된 원수에 포함된 입자상의 물질을 여과하는 필터(210); 및 상기 필터(210)를 통해 여과된 여과액을 담수화하는 바이폴라 CDI 전극 모듈(100);을 포함한다. 이때, 상기 필터(210)와 상기 바이폴라 CDI 전극 모듈(100)을 연결하는 연결관(202)에 CIP(Clean in place) 탱크(220)로부터 세척수를 공급받는 세척수 공급관(203)이 연결될 수 있다.

상기 원수 공급관(201)을 통해 공급되는 원수에는 다량의 염이 포함되어 있으며, 염 외의 각종 이물질이 포함되어 있을 수 있다. 이러한 이물질이 바이폴라 CDI 전극 모듈(100)에 유입되는 경우 바이폴라 CDI 전극 모듈(100)의 고장을 유발할 수 있기 때문에, 원수 공급관(201)과 바이폴라 CDI 전극 모듈(100) 사이에 필터(210)가 구비되어 이물질을 제거함으로써 바이폴라 CDI 전극 모듈(100)의 수명을 향상시킬 수 있다.

필터(210)는 카트리지 필터, 플레이트형 필터, 나권형 필터, 평막셀형 필터, 침적형 필터 및 튜브형 필터로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 필터일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

바이폴라 CDI 전극 모듈(100)은 앞서 설명한 바이폴라 CDI 전극 모듈(100)이 사용될 수 있으며, 수처리 장치에 있어서, 하나의 바이폴라 CDI 전극 모듈(100)이 사용될 수 있으나, 두 개 이상이 직렬 또는 병렬로 연결되어 사용됨으로써 수처리 성능을 향상시키거나 시간당 수처리 양을 증가시킬 수 있다.

바이폴라 CDI 전극 모듈(100)에서 유출수가 배출되는 유출관에는 3방향 밸브(250)가 구비되어, 흡착 공정이 수행될 때는 담수 저장 탱크(230)로만 유출수가 흐르도록 제어되고, 탈착 공정이 수행될 때는 방류관(206)으로만 유출수가 흐르도록 제어됨으로써, 흡착 공정을 통해 담수화된 유출수를 모아두는 담수 저장 탱크(230)에 염수의 유입이 이루어지지 않을 수 있다.

탈착 공정은, 필터(210)로부터 공급되는 원수의 공급을 차단하고, CIP 탱크(220)로부터 세척수를 공급받아 수행될 수 있으며, 탈착 공정시 유출되는 유출수는 방류관(206)을 통해 방류될 수 있다. 이때 세척수로는 염이 포함되지 않거나 염의 농도가 낮은 물이 사용될 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

10 : CDI 전극 11 : 집전체
12a, 12b : 소수성 폴리머 코팅 13 : 나노 카본 코팅층
15 : 종래의 CDI 전극 16 : 돌출형 집전체
20 : 모듈 하우징 21 : 제1단자
22 : 제1단자 나사산 23 : 제2단자
30 : 제1유입캡 33 : 나사홈
36 : 제1단자홀 39 : 제1내부 나사산
40 : 제2유입캡 41 : 제1캡 하우징
42 : 제1구리층 43 : 제1집전체층
44 : 제1나노 카본 코팅층 45 : 단자홈
46 : 유로홈 47 : 결합홈
49 : 제1나사산 50 : 유출캡
51 : 제2캡 하우징 52 : 제2구리층
53 : 제2집전체층 54 : 제2나노 카본 코팅층
56 : 제2단자홀 59a : 제2나사산
59b : 제2내부 나사산 100 : 바이폴라 CDI 전극 모듈
200 : 수처리 장치 201 : 원수 공급관
202 : 연결관 203 : 세척수 공급관
206 : 방류관 210 : 필터
220 : CIP 탱크 230 : 담수 저장 탱크
250 : 3방향 밸브

Claims

중심부에 홀이 형성된 원형의 집전체의 전면에 나노 카본 코팅층(13)이 형성되고, 상기 나노 카본 코팅층(13)이 형성된 집전체(11)의 내주연 및 외주연에 소수성 폴리머 코팅층(12a)이 형성됨으로써,
중심부에 홀이 형성된 원형의 집전체; 상기 집전체의 일면 및 타면에 위치하는 나노 카본 코팅층; 및 상기 집전체의 내주연 및 외주연에 형성된 소수성 폴리머 코팅층;을 포함하고,
상기 소수성 폴리머 코팅층은, 폴리 테트라 플루오르 에틸렌(PTFE), 폴리 비닐리덴 플루오르 라이드(PVDF), 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리 프로필렌(PP), 메틸 사이클로 헥산 및 에폭시로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 고분자를 포함하며,
상기 나노 카본 코팅층이 형성된 집전체의 일면에는 양극이, 타면에는 음극이 형성되어 이온 흡착 반응이 수행되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 CDI 전극.
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중심부에 홀이 형성된 원통형의 모듈 하우징;
상기 모듈 하우징의 양단에 구비되며, 중심부에 홀이 형성된 제1유입캡; 및 유출캡;
상기 제1유입캡과 상기 유출캡의 사이에 소정 간격 이격되어 순차적으로 배치되는 제2유입캡; 및 제1항에 기재된 바이폴라 CDI 전극;
상기 제1유입캡을 관통하여 상기 제2유입캡에 결합되는 제1단자; 및
상기 유출캡에 결합되는 제2단자;를 포함하는 바이폴라 CDI 전극 모듈.
제4항에 있어서,
상기 제1단자 및 상기 제2단자는 구리 재질인 것을 특징으로 하는, 바이폴라 CDI 전극 모듈.
제4항에 있어서,
상기 제1단자의 일부 외주연에 소수성 폴리머 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는, 바이폴라 CDI 전극 모듈.
제6항에 있어서,
상기 소수성 폴리머 코팅층은, 폴리 테트라 플루오르 에틸렌(PTFE), 폴리 비닐리덴 플루오르 라이드(PVDF), 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리 프로필렌(PP), 메틸 사이클로 헥산 및 에폭시로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 CDI 전극 모듈.
제4항에 있어서,
상기 제2유입캡은, 제1구리층; 제1집전체층; 제1나노 카본 코팅층;을 포함하고, 상기 제1구리층과 상기 제1집전체층은 제1캡 하우징으로 완전히 밀봉되며,
상기 유출캡은, 제2구리층; 제2집전체층;제2나노 카본 코팅층;을 포함하고, 상기 제2구리층과 상기 제2집전체층은 제2캡 하우징으로 완전히 밀봉되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 CDI 전극 모듈.
제8항에 있어서,
상기 제1단자는 제1구리층까지 관통하며, 상기 제1유입캡 및 제2유입캡으로부터 탈부착 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 CDI 전극 모듈.
제4항에 있어서,
상기 바이폴라 CDI 전극의 내주연 및 외주연에 소수성 폴리머 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 CDI 전극 모듈.
제10항에 있어서,
상기 소수성 폴리머 코팅층은, 폴리 테트라 플루오르 에틸렌(PTFE), 폴리 비닐리덴 플루오르 라이드(PVDF), 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리 프로필렌(PP), 메틸 사이클로 헥산 및 에폭시로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 CDI 전극 모듈.
제4항에 있어서,
상기 바이폴라 CDI 전극의 일면 및 타면에 나노 카본 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 CDI 전극 모듈.
제4항에 있어서,
상기 제1단자 및 상기 제2단자 중 어느 하나의 단자에는 양극이, 다른 하나의 단자에는 음극이 형성되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 CDI 전극 모듈.
제4항에 있어서,
상기 바이폴라 CDI 전극의 일면에는 양극이, 타면에는 음극이 형성되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 CDI 전극 모듈.
제4항에 있어서,
상기 바이폴라 CDI 전극은, 복수 개로 형성되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 CDI 전극 모듈.
제4항에 있어서,
상기 제1유입캡은, 상기 모듈 하우징으로부터 탈부착 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 CDI 전극 모듈.
제16항에 있어서,
상기 제2유입캡은, 상기 모듈 하우징으로부터 탈부착 가능하도록 외주연을 따라 제1나사산이 형성되고, 일부 외주연에 상기 모듈 하우징의 길이 방향을 따라 유로홈이 형성되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 CDI 전극 모듈.
제4항에 있어서,
상기 유출캡은, 상기 모듈 하우징으로부터 탈부착 가능하도록 외주연을 따라 제2나사산이 형성되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 CDI 전극 모듈.
원수 공급관;
상기 원수 공급관에서 공급된 원수에 포함된 입자상의 물질을 여과하는 카트리지 필터; 및
상기 카트리지 필터를 통해 여과된 여과액을 담수화하는 제4항 내지 제18항 중 어느 한 항에 기재된 바이폴라 CDI 전극 모듈;을 포함하는 수처리 장치.
제 19항에 있어서,
상기 바이폴라 CDI 전극 모듈이 복수 개 포함되어, 병렬 및/또는 직렬 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는, 수처리 장치.