KR102766275B1 - Desalination Device and Desalination Method Using a Net Flow in a Constant Direction - Google Patents
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Abstract
본 발명은 피처리수 내의 오염물질을 제거하기 위한 탈염 장치로서, 캐소드, 애노드 및 음이온 교환막을 포함하는 전기 분해 유닛; 상기 캐소드측에 위치하여서 상기 탈염 장치의 외부로부터 음이온 교환막으로의 방향으로 피처리수를 공급하는 피처리수 공급 유로; 상기 캐소드측에 위치하여서 상기 오염물질이 상기 음이온 교환막을 통과하여 상기 애노드측으로 전달되어 제거된 피처리수를 상기 탈염 장치의 외부로 배출하는 피처리수 배출 유로; 상기 애노드측에 위치하여서 상기 탈염 장치의 외부로부터 음이온 교환막으로의 방향으로 세척수를 공급하는 세척수 공급 유로; 및 상기 애노드측에 위치하여서 상기 캐소드측으로부터 상기 음이온 교환막을 통과하여 전달된 상기 오염물질을 포함하는 세척수를 상기 탈염 장치의 외부로 배출하는 세척수 배출 유로;를 포함하고, 상기 세척수의 순흐름(net-flow)은 상기 세척수 공급 유로의 길이 방향을 따라서 선형의 흐름을 가지는 것인, 탈염 장치 및 탈염 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a desalination device for removing contaminants in water to be treated, comprising: an electrolysis unit including a cathode, an anode, and an anion exchange membrane; a water supply channel located on the cathode side and supplying water to be treated from the outside of the desalination device in the direction of the anion exchange membrane; a water discharge channel located on the cathode side and discharging water to the outside of the desalination device, from which the contaminants have passed through the anion exchange membrane and been removed and transferred to the anode side; a wash water supply channel located on the anode side and supplying wash water from the outside of the desalination device in the direction of the anion exchange membrane; and a wash water discharge channel located on the anode side and discharging wash water including the contaminants transferred from the cathode side through the anion exchange membrane to the outside of the desalination device, wherein a net flow of the wash water has a linear flow along the longitudinal direction of the wash water supply channel.
Description
본 발명은 세척수를 이용한 탈염 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 폐수 시설에서 배출된 처리수를 일정 방향의 순흐름을 가지는 세척수로 공급함으로써 이온 교환막 및 전극의 손상을 방지하고 폐수 내 염분을 효율적으로 분리하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a desalination technology using wash water, and more specifically, to a technology for preventing damage to ion exchange membranes and electrodes and efficiently separating salt in waste water by supplying treated water discharged from a waste water facility as wash water having a constant directional flow.
기존의 전기화학 반응을 이용한 탈염 장치는 주로 배치식으로 구성되거나, 연속흐름식으로 구성되었는데, 이온 교환 과정에서 탈염 장치 내의 이온 교환막 표면이 오염되고, 이에 따라 이온 교환막에서의 농도 구배가 현저하게 떨어져 이온교환 효율이 급격하게 저하되는 단점이 있다. 이는 탈염 반응이 일어나는 과정 중 이온교환막 표면에서 생성되는 유기물이 이온 교환막의 표면에 침착되어 이온교환 역할을 하는 관능기를 덮게 되는 결과, 이온교환 성능이 크게 저하되는 것이다. Conventional desalination devices using electrochemical reactions are mainly configured as batch types or continuous flow types, but they have the disadvantage that the surface of the ion exchange membrane in the desalination device becomes contaminated during the ion exchange process, and as a result, the concentration gradient in the ion exchange membrane drops significantly, resulting in a rapid decrease in ion exchange efficiency. This is because organic substances generated on the surface of the ion exchange membrane during the desalination reaction process are deposited on the surface of the ion exchange membrane and cover the functional groups that play a role in ion exchange, resulting in a significant decrease in ion exchange performance.
따라서 이온 교환 성능의 유지를 위해 이온 교환막 표면의 세척이 필요한데, 일반적으로 이온 교환막은 산, 염기에 매우 취약하여 이온교환막의 산, 염기 세척을 할 수 없고, 별도의 스케일 제거 없이 주기적으로 이온교환막을 교체하고 있는 실정이다.Therefore, in order to maintain ion exchange performance, cleaning of the ion exchange membrane surface is necessary. However, ion exchange membranes are generally very vulnerable to acids and bases, so acid and base cleaning of ion exchange membranes is not possible, and ion exchange membranes are periodically replaced without separate scale removal.
이러한 탈염 장치의 단점으로 인해 연속흐름식인 대부분의 산업공정에는 이온 교환막이 장착된 전기화학적 탈염 장치가 활용되지 못하는 실정이며, 일부 사용되고 있는 시설에서도 연속적인 전기 탈염 운전이 이루어지지 못하고 간헐적인 중단 후 이온 교환막의 교체가 이루어지고 있는 실정이다. 이는 전기화학적 이온교환 시설의 성능 저하 및 유지관리 비용 증가 문제로 이어지며, 이온교환막을 이용한 전기화학적 탈염 기술의 실용화를 어렵게 하는 원인이 되고 있다. Due to the shortcomings of these desalination devices, most continuous-flow industrial processes are not able to utilize electrochemical desalination devices equipped with ion exchange membranes, and even in some facilities that are being used, continuous electrochemical desalination operation is not possible, and ion exchange membranes are replaced after intermittent interruptions. This leads to problems such as reduced performance and increased maintenance costs of electrochemical ion exchange facilities, and makes it difficult to commercialize electrochemical desalination technology using ion exchange membranes.
이로 인하여 염소이온 분리 목적의 전기화학적 탈염 시스템에서는 이온교환막을 사용하지 못하는 경우가 대부분이며, 이온교환막을 이용한 염소 이온의 고성능 선택적 분리가 사실상 불가능한 실정이다. 바닷물의 전기탈염의 경우, 이온교환막을 사용하지 않고 염소 이온이 염소 가스로 산화되어 차아염소산으로 전환되지만, 이온교환막을 사용하지 않아 모든 양이온과 음이온이 이동하기 때문에 전기화학을 통한 원수로부터의 염소이온의 선택적 분리는 불가능하다. 또한 염소이온의 탈염 과정에서 발생하는 고농도의 염소가스, 차아염소산, 아염소산이 전극을 산화시켜 연속적인 탈염공정의 운전이 불가능하며, 주기적으로 전극을 교체해야 하는 단점이 발생한다. For this reason, in most electrochemical desalination systems for the purpose of separating chloride ions, ion exchange membranes cannot be used, and high-performance, selective separation of chloride ions using ion exchange membranes is virtually impossible. In the case of electrochemical desalination of seawater, chlorine ions are oxidized to chlorine gas and converted to hypochlorous acid without using an ion exchange membrane, but since no ion exchange membrane is used, all cations and anions move, so selective separation of chloride ions from raw water through electrochemistry is impossible. In addition, high-concentration chlorine gas, hypochlorous acid, and hypochlorous acid generated during the desalination of chloride ions oxidize the electrode, making continuous operation of the desalination process impossible, and there is a disadvantage in that the electrodes must be replaced periodically.
따라서 폐수로부터 고농도의 염분을 제거하기 위해서는 이온교환막의 사용이 필수적이며, 이온교환막을 통한 고성능의 염분분리 시스템의 구성을 위해 전기화학적 탈염 장치가 사용되어야 한다. 그러나 이러한 필요성에도 불구하고 염소이온을 원수로부터 안전하게 분리하는 기술이 부재한 상황이며, 염소이온을 분리하더라도 이온교환막과 전극의 손상이 없이 장기적으로 고효율을 유지할 수 있는 탈염 장치가 없어 고농도 염분 폐수의 처리기술에 한계를 보이고 있는 실정이다.Therefore, in order to remove high concentrations of salt from wastewater, the use of ion exchange membranes is essential, and an electrochemical desalination device must be used to configure a high-performance salt separation system through ion exchange membranes. However, despite this necessity, there is no technology to safely separate chlorine ions from raw water, and even if chlorine ions are separated, there is no desalination device that can maintain high efficiency in the long term without damaging the ion exchange membrane and electrodes, which is showing limitations in the treatment technology of high concentration salt wastewater.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 전기화학적으로 분리된 염소 이온과 이온 교환막을 통해 확산된 오염물질이 선형의 순흐름을 가지는 세척수에 의해서, 세척수 내에서의 흐름 방향에서의 혼합이 없이, 세척수 공급 유로로부터 음이온 교환막을 거쳐 세척수 배출 유로를 순차적으로 통과하여 이온 교환막이 세척되도록 하는 탈염 장치 및 탈염 방법을 제공한다.The present invention is intended to solve the above-described problem, and provides a desalination device and a desalination method in which electrochemically separated chlorine ions and contaminants diffused through an ion exchange membrane are sequentially passed from a wash water supply conduit through an anion exchange membrane to a wash water discharge conduit without mixing in the flow direction within the wash water by wash water having a linear forward flow, so that the ion exchange membrane is washed.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 피처리수 내의 오염물질을 제거하기 위한 탈염 장치로서, 캐소드, 애노드 및 음이온 교환막을 포함하는 전기 분해 유닛; 상기 캐소드측에 위치하여서 상기 탈염 장치의 외부로부터 음이온 교환막으로의 방향으로 피처리수를 공급하는 피처리수 공급 유로; 상기 캐소드측에 위치하여서 상기 오염물질이 상기 음이온 교환막을 통과하여 상기 애노드측으로 전달되어 제거된 피처리수를 상기 탈염 장치의 외부로 배출하는 피처리수 배출 유로; 상기 애노드측에 위치하여서 상기 탈염 장치의 외부로부터 음이온 교환막으로의 방향으로 세척수를 공급하는 세척수 공급 유로; 및 상기 애노드측에 위치하여서 상기 캐소드측으로부터 상기 음이온 교환막을 통과하여 전달된 상기 오염물질을 포함하는 세척수를 상기 탈염 장치의 외부로 배출하는 세척수 배출 유로;를 포함하고, 상기 세척수의 순흐름(net-flow)은 상기 세척수 공급 유로의 길이 방향을 따라서 선형의 흐름을 가지는 것인, 탈염 장치를 제공한다.According to one embodiment of the present invention, a desalination device for removing contaminants in water to be treated is provided, comprising: an electrolysis unit including a cathode, an anode, and an anion exchange membrane; a water supply channel located on the cathode side and supplying water to be treated from the outside of the desalination device in the direction of the anion exchange membrane; a water discharge channel located on the cathode side and discharging water to the outside of the desalination device, from which the contaminants have passed through the anion exchange membrane and been removed and transferred to the anode side; a wash water supply channel located on the anode side and supplying wash water from the outside of the desalination device in the direction of the anion exchange membrane; and a wash water discharge channel located on the anode side and discharging wash water including the contaminants transferred from the cathode side through the anion exchange membrane to the outside of the desalination device, wherein a net flow of the wash water has a linear flow along the longitudinal direction of the wash water supply channel.
또한, 본 발명의 다른 일 실시형태에 따르면, 피처리수 내의 오염물질을 제거하기 위한 탈염 방법으로서, 상기 피처리수를 피처리수 공급 유로를 통해 전기 분해 유닛의 캐소드를 거쳐서 음이온 교환막으로의 방향으로 공급하는 피처리수의 공급 단계; 상기 피처리수 내의 오염물질을 상기 음이온 교환막을 통과시켜서 애노드측으로 전달하여 제거하는 오염물질의 전달 단계; 상기 오염물질이 제거된 피처리수를 상기 음이온 교환막으로부터 상기 캐소드를 거쳐서 피처리수 배출 유로를 통해 외부로 배출하는 피처리수의 배출 단계; 세척수를 세척수 공급 유로를 통해 상기 음이온 교환막으로의 방향으로 공급하는 세척수의 공급 단계; 및 상기 음이온 교환막을 통과하여 전달된 상기 오염물질을 포함하는 세척수를 상기 애노드를 거쳐서 세척수 배출 유로를 통해 외부로 배출하는 세척수의 배출 단계;를 포함하고, 상기 세척수의 순흐름은 상기 세척수 공급 유로의 길이 방향을 따라서 선형의 흐름을 가지는 것인, 탈염 방법을 제공한다.In addition, according to another embodiment of the present invention, a desalination method for removing contaminants in water to be treated is provided, comprising: a water supply step of supplying the water to be treated through a water supply conduit through a cathode of an electrolysis unit toward an anion exchange membrane; a contaminant transfer step of removing the contaminants in the water to be treated by passing them through the anion exchange membrane toward the anode; a water discharge step of discharging the water to be treated from which the contaminants have been removed from the anion exchange membrane through the cathode to the outside through a water discharge conduit; a washing water supply step of supplying washing water through the washing water supply conduit toward the anion exchange membrane; and a washing water discharge step of discharging washing water including the contaminants transferred through the anion exchange membrane to the outside through the anode to the outside through a washing water discharge conduit; wherein the net flow of the washing water has a linear flow along the longitudinal direction of the washing water supply conduit.
본 발명의 탈염 장치 및 탈염 방법을 이용하면, 세척수를 세척수 공급 유로를 따라서 한쪽 방향으로만 연속적으로 주입함과 동시에 세척수 배출 유로를 따라 연속적으로 배출함으로써 이온교환막 표면이 연속적으로 세척되는 결과, 유입수 또는 세척수에 함유된 염분, 유기오염물질 또는 암모니아를 역류 없이 애노드방향으로 이동시킬 수 있다. 이에 따라, 고농도의 염분을 포함한 폐수의 처리를 보다 간단한 공정에서 고효율로 처리할 수 있다.By using the desalination device and desalination method of the present invention, the surface of the ion exchange membrane is continuously washed by continuously injecting the wash water in one direction along the wash water supply path and simultaneously continuously discharging it along the wash water discharge path, so that the salt, organic pollutants or ammonia contained in the influent water or the wash water can be moved toward the anode without reverse flow. Accordingly, wastewater containing a high concentration of salt can be treated with high efficiency in a simpler process.
도 1은 실시예 1에 따른 층류 흐름을 이용한 탈염 장치를 개략적으로 나타낸 도시이다.
도 2는 비교예 1에 따른 난류 흐름을 이용한 탈염 장치를 개략적으로 나타낸 도시이다.
도 3은 실시예 1에 따른 탈염 장치에서 최종 유출되는 세척수 및 비교예 1에 따른 탈염 장치에서의 최종 유출수의 pH를 전류밀도에 따라 비교한 도시이다.
도 4는 실시예 1에 따른 탈염 장치에서 유입되는 피처리수 및 최종 유출되는 세척수 내 염소 이온(Cl-)의 농도를 전류밀도에 따라 비교한 도시이다.
도 5는 실시예 1에 따른 탈염 장치에서 최종 유출되는 세척수 및 비교예 1에 따른 탈염 장치에서의 최종 유출수의 COD를 전류밀도에 따라 비교한 도시이다.
도 6은 실시예 1에 따른 탈염 장치에서 최종 유출되는 세척수 및 비교예 1에 따른 탈염 장치에서의 최종 유출수의 암모늄 이온(NH4 +)의 농도를 전류밀도에 따라 비교한 도시이다.
도 7은 실시예 1에 따른 탈염 장치 및 비교예 1에 따른 탈염 장치의 음이온 교환막 표면에서의 COD, 암모늄 이온 및 염소 이온의 플럭스에 대한 이론값과 실측값을 비교한 도시이다.Figure 1 is a schematic diagram showing a desalination device using laminar flow according to Example 1.
Figure 2 is a schematic diagram showing a desalination device using turbulent flow according to Comparative Example 1.
Figure 3 is a graph comparing the pH of the final effluent from the desalination device according to Example 1 and the final effluent from the desalination device according to Comparative Example 1 according to current density.
Figure 4 is a graph comparing the concentration of chloride ions (Cl - ) in the treated water flowing into the desalination device according to Example 1 and the final discharged washing water according to the current density.
Figure 5 is a graph comparing the COD of the final effluent from the desalination device according to Example 1 and the final effluent from the desalination device according to Comparative Example 1 according to current density.
Figure 6 is a graph comparing the concentration of ammonium ions (NH 4+ ) in the final effluent from the desalination device according to Example 1 and the final effluent from the desalination device according to Comparative Example 1 according to current density.
Figure 7 is a graph comparing theoretical and measured values of the flux of COD, ammonium ions, and chloride ions on the surface of an anion exchange membrane of a desalination device according to Example 1 and a desalination device according to Comparative Example 1.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명인 제염 폐액의 처리 방법에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the attached drawings, the present invention will be described in detail regarding the method for treating decontamination waste liquid so that a person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily perform the method.
본 발명에 일 실시형태에 따른 탈염 장치는 피처리수 내의 오염물질을 제거하기 위한 탈염 장치로서, 캐소드, 애노드 및 음이온 교환막을 포함하는 전기 분해 유닛; 상기 캐소드측에 위치하여서 상기 탈염 장치의 외부로부터 음이온 교환막으로의 방향으로 피처리수를 공급하는 피처리수 공급 유로; 상기 캐소드측에 위치하여서 상기 오염물질이 상기 음이온 교환막을 통과하여 상기 애노드측으로 전달되어 제거된 피처리수를 상기 탈염 장치의 외부로 배출하는 피처리수 배출 유로; 상기 애노드측에 위치하여서 상기 탈염 장치의 외부로부터 음이온 교환막으로의 방향으로 세척수를 공급하는 세척수 공급 유로; 및 상기 애노드측에 위치하여서 상기 캐소드측으로부터 상기 음이온 교환막을 통과하여 전달된 상기 오염물질을 포함하는 세척수를 상기 탈염 장치의 외부로 배출하는 세척수 배출 유로;를 포함하고, 상기 세척수의 순흐름은 상기 세척수 공급 유로의 길이 방향을 따라서 선형의 흐름을 가지는 것인, 탈염 장치를 제공한다.According to one embodiment of the present invention, a desalination device is provided as a desalination device for removing contaminants in water to be treated, comprising: an electrolysis unit including a cathode, an anode, and an anion exchange membrane; a water supply channel located on the cathode side and supplying water to be treated from the outside of the desalination device in the direction of the anion exchange membrane; a water discharge channel located on the cathode side and discharging water to the outside of the desalination device from which the contaminants have passed through the anion exchange membrane and have been removed and transferred to the anode side; a wash water supply channel located on the anode side and supplying wash water from the outside of the desalination device in the direction of the anion exchange membrane; and a wash water discharge channel located on the anode side and discharging wash water including the contaminants transferred from the cathode side through the anion exchange membrane to the outside of the desalination device, wherein a net flow of the wash water has a linear flow along the longitudinal direction of the wash water supply channel.
탈염 기술은, 해수나 폐수 등과 같은 오염수에 함유되는 각종 부유물질이나 이온 성분을 제거하여 담수화하는 기술로, 화석연료나 전기 등의 열원을 이용하여 수분을 증발하는 증발법과, 분리막을 이용한 이물질을 걸러 제거하는 여과법과, 전극셀의 전기분해작용을 이용하여 이온들을 제거하는 전기투석법이 있다.Desalination technology is a technology to desalinate polluted water such as seawater or wastewater by removing various suspended substances or ionic components. It includes an evaporation method that evaporates moisture using a heat source such as fossil fuels or electricity, a filtration method that filters out foreign substances using a membrane, and an electrodialysis method that removes ions using the electrolytic action of electrode cells.
증발법은 화석연료나 전기 등을 열원으로 사용하여 수분을 증발시키는 것으로, 증발법 적용시 이용되는 탈염 장치의 부피가 커서 비효율적이고, 에너지의 소모량이 증대되어 제조단가가 증대될 뿐만 아니라, 화석연료의 사용으로 인한 대기오염의 원인이 된다. 여과법은 분리막에 고압을 가하여 이물질을 제거해야 하므로 에너지의 비용이 증대되고, 전기투석법은 지속적으로 전극셀을 교체해야 하므로 전극셀의 교체에 따른 낭비요인이 발생될 뿐만 아니라 인적 및 물적 부대비용이 증대되는 단점이 있다.The evaporation method uses fossil fuels or electricity as a heat source to evaporate moisture. However, the desalination device used when applying the evaporation method is large in volume, which is inefficient, increases energy consumption, increases manufacturing costs, and causes air pollution due to the use of fossil fuels. The filtration method requires high pressure to the separation membrane to remove foreign substances, which increases energy costs, and the electrodialysis method requires continuous replacement of electrode cells, which not only generates waste factors due to replacement of electrode cells, but also increases human and material costs, which is a disadvantage.
본 발명에 따른 탈염 장치는 세척수 공급 유로의 길이 방향을 따라서 선형의 흐름을 가지는 세척수를 공급하는데, 구체적으로 상기 세척수의 순흐름은 상기 탈염 장치의 외부로부터 세척수 공급 유로를 따라 음이온 교환막으로의 방향으로의 선형의 흐름과, 상기 음이온 교환막과 평행한 방향의 흐름과, 상기 음이온 교환막으로부터 상기 세척수 배출 유로를 따라 상기 탈염 장치의 외부로의 방향으로의 선형의 흐름을 가지는 것일 수 있다.The desalination device according to the present invention supplies wash water having a linear flow along the longitudinal direction of the wash water supply channel, and specifically, the net flow of the wash water may have a linear flow from the outside of the desalination device toward the anion exchange membrane along the wash water supply channel, a flow in a direction parallel to the anion exchange membrane, and a linear flow from the anion exchange membrane toward the outside of the desalination device along the wash water discharge channel.
이에 따라 이온 교환된 오염물질이 일정 방향의 순흐름을 가지는 세척수에 의해 역류 없이 애노드 방향으로 이동하게 되고, 그 결과 이온 교환막에 포함된 양이온성 관능기의 산화 분해를 방지할 수 있다. 구체적으로, 상기 오염물질 중 특히 염소 이온은 상기 탈염 장치의 애노드에서 염소계 산화제로 전환된 후 세척수에 포함되어 있거나 피처리수에서 분리된 다른 오염물질을 산화 분해시키고 다시 염소 이온으로 전환됨으로써, 염소계 산화제의 역류에 의한 이온 교환막에 포함된 양이온성 관능기의 산화 분해를 방지할 수 있고, 별도의 이온 교환막 교체나 세척 없이도 고효율로 탈염이 가능한 효과가 있다.Accordingly, the ion-exchanged pollutants move toward the anode without reverse flow by the wash water having a constant forward flow, and as a result, the oxidative decomposition of the cationic functional group contained in the ion exchange membrane can be prevented. Specifically, among the pollutants, particularly the chlorine ion is converted into a chlorine-based oxidizer at the anode of the desalination device, and then oxidizes and decomposes other pollutants contained in the wash water or separated from the treated water, and is then converted back into a chlorine ion, thereby preventing the oxidative decomposition of the cationic functional group contained in the ion exchange membrane due to the reverse flow of the chlorine-based oxidizer, and there is an effect of enabling high-efficiency desalination without a separate ion exchange membrane replacement or cleaning.
상기 피처리수는 별도의 폐수 처리 시설에서 처리 대상으로 하는 폐수일 수 있다. 구체적으로, 상기 피처리수는 고농도의 난분해성 유기물 또는 고농도의 염분을 함유하고 있는 음폐수, 축산폐수, 매립장 침출수 등일 수 있다.The above-mentioned untreated water may be wastewater to be treated in a separate wastewater treatment facility. Specifically, the above-mentioned untreated water may be food wastewater, livestock wastewater, landfill leachate, etc. containing a high concentration of difficult-to-decompose organic matter or a high concentration of salt.
상기 피처리수의 순흐름은 상기 탈염 장치의 외부로부터 피처리수 공급 유로를 따라 음이온 교환막으로의 방향으로의 선형의 흐름과, 상기 음이온 교환막과 평행한 방향의 흐름과, 상기 음이온 교환막으로부터 상기 피처리수 배출 유로를 따라 상기 탈염 장치의 외부로의 방향으로의 선형의 흐름을 가지는 것일 수 있다. 상기 피처리수가 일정 방향의 순흐름을 가짐으로써 피처리수 내 염소 이온을 비롯한 오염물질들의 분리 효율을 더욱 높일 수 있다.The above-mentioned net flow of the treated water may have a linear flow from the outside of the desalination device along the treated water supply path toward the anion exchange membrane, a flow in a direction parallel to the anion exchange membrane, and a linear flow from the anion exchange membrane along the treated water discharge path toward the outside of the desalination device. Since the treated water has a net flow in a certain direction, the separation efficiency of contaminants, including chlorine ions, in the treated water can be further increased.
상기 오염물질은 염소 이온(Cl-), 암모늄 이온(NH4 +), 황산염(SO4 2-), 질산염(NO3 -), 아질산염(NO2 -), 인산염(PO4 3-)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 이온성 오염물질 및 용존성 유기오염물질을 포함하는 것일 수 있다. 특히, 피처리수 내의 암모늄 이온과 같은 양이온 및 용존성 유기오염물질은 도난 효과(donnan effect)에 의해 음이온 교환막을 통해 분산 또는 확산되는 것일 수 있다. The above pollutants may include ionic pollutants and dissolved organic pollutants including at least one selected from the group consisting of chloride ion (Cl - ), ammonium ion (NH 4 + ), sulfate (SO 4 2- ), nitrate (NO 3 - ), nitrite (NO 2 - ), and phosphate (PO 4 3- ). In particular, cations such as ammonium ion and dissolved organic pollutants in the treatment water may be dispersed or diffused through the anion exchange membrane by the Donnan effect.
상기 염소 이온은 상기 탈염 장치에 의해 고농도로 분류되어 배출되는 것일 수 있고, 이온 교환막을 통과한 염소 이온이 상기 전기 분해 유닛의 애노드에서 염소계 산화제로 전환된 후, 상기 염소계 산화제가 염소 이온을 제외한 다른 오염 물질을 산화 분해하여 제거하는 것일 수 있다, 상기 염소계 산화제는 산화 분해 반응 이후 다시 염소 이온으로 전환되어 탈염 장치로부터 배출되는 것일 수 있다. The above chlorine ions may be classified into a high concentration and discharged by the desalination device, and the chlorine ions that have passed through the ion exchange membrane may be converted into a chlorine-based oxidizer at the anode of the electrolysis unit, and then the chlorine-based oxidizer may oxidize and decompose other pollutants except for the chlorine ions to remove them. The chlorine-based oxidizer may be converted back into chlorine ions after the oxidative decomposition reaction and discharged from the desalination device.
상기 전기 분해 유닛에 포함된 음이온 교환막은 이온들을 분리하여 전극에 선택적으로 흡착시키는 역할을 하는 것으로 다공성으로 이루어진 것일 수 있다. 직류 전원에 의해 상기 음이온 교환막에 형성되는 전기장을 이용하여 폐수 속에 용해되어 있는 이온성 물질을 분리할 수 있다. 상기 음이온 교환막은 스킨층의 표면에 양이온성 관능기를 포함하는 것일 수 있고, 이에 따라 상기 고정된 양이온성 관능기와 이온 결합할 수 있는 음이온 물질이 선택적 투과성을 나타낼 수 있다. The anion exchange membrane included in the above electrolysis unit may be porous and serves to separate ions and selectively adsorb them to the electrode. The ionic substance dissolved in wastewater can be separated by using an electric field formed in the anion exchange membrane by a direct current power source. The anion exchange membrane may include a cationic functional group on the surface of the skin layer, and accordingly, an anionic substance capable of ionically bonding with the fixed cationic functional group can exhibit selective permeability.
상기 음이온 교환막은 지지체인 직포 또는 부직포에, 양이온성 관능기를 가지는 고분자 수지를 유기용매에 녹여 제조한 이온 교환 용액을 코팅한 후 건조하여 스킨층을 제조하거나, 상기 직포 또는 부직포에 양이온성 관능기를 가지는 고분자 수지를 그래프팅 하여 스킨층을 제조할 수 있다.The above anion exchange membrane can be manufactured by coating an ion exchange solution prepared by dissolving a polymer resin having a cationic functional group in an organic solvent on a woven or nonwoven fabric as a support, and then drying the solution to manufacture a skin layer, or by grafting a polymer resin having a cationic functional group onto the woven or nonwoven fabric.
상기 직포 또는 부직포는 이온교환용액을 코팅하거나 함침하는 지지체로, 폴리아미드계(polyamideseries), 폴리에틸렌계(Polyethylene series), 폴리프로필렌계(polypropylene series), 셀룰로스계(celluloseseries), 아크릴계 (polyacryl series), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에스테르계(polyester series) 및 천연섬유로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 고분자로 형성되는 것일 수 있다.The above woven or nonwoven fabric is a support for coating or impregnating an ion exchange solution, and may be formed of at least one polymer selected from the group consisting of polyamide series, polyethylene series, polypropylene series, cellulose series, polyacryl series, polyvinyl chloride (PVC), polyvinyl alcohol (PVA), polyester series, and natural fibers.
상기 유기용매는 디메틸포름아마이드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸-2-피롤리돈 아세톤, 클로로포름, 디클로로메탄, 트리클로로에틸렌, 에탄올, 메탄올, 노르말헥산 등에서 선택되는 적어도 하나인 것일 수 있다.The above organic solvent may be at least one selected from dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone acetone, chloroform, dichloromethane, trichloroethylene, ethanol, methanol, normal hexane, and the like.
상기 양이온성 관능기는 -NH3 +, -NRH2 +, -NR2H+, -NR3 +, -PR3 + 및 -SR2 +로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 양전하 관능기를 포함할 수 있다.The cationic functional group may include at least one positively charged functional group selected from the group consisting of -NH 3+ , -NRH 2+ , -NR 2 H + , -NR 3+ , -PR 3+ and -SR 2+ .
상기 애노드는 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 지르코늄(Zr) 및 붕소(B)가 도핑된 다이아몬드(BDD)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속 또는 합금 또는 이들의 산화물을 포함하는 것일 수 있다.The anode may comprise at least one metal or alloy or oxide thereof selected from the group consisting of iridium (Ir), ruthenium (Ru), tin (Sn), titanium (Ti), molybdenum (Mo), tantalum (Ta), zirconium (Zr), and boron (B) doped diamond (BDD).
상기 캐소드는 반응 전위가 높으며, 상기 애노드는 반응 전위가 낮은 것일 수 있다. 상기 캐소드는 반응 전위가 높아 상대적으로 반응성이 낮으며 산화되기 어려운 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 애노드는 반응 전위가 낮아 상대적으로 반응성이 높고 산화되기 쉬운 것을 특징으로 할 수 있다. 이에 따라, 상기 전기 분해 유닛에 전압이 인가되면, 상기 캐소드에서는 환원반응이 일어나며 상기 애노드에서는 산화반응이 일어날 수 있다.The cathode may have a high reaction potential, and the anode may have a low reaction potential. The cathode may be characterized by having a high reaction potential, relatively low reactivity, and being difficult to oxidize, and the anode may be characterized by having a low reaction potential, relatively high reactivity, and being easy to oxidize. Accordingly, when voltage is applied to the electrolysis unit, a reduction reaction may occur at the cathode, and an oxidation reaction may occur at the anode.
상기 애노드와 상기 음이온 교환막 사이의 공간에 존재하는 염소 이온은 상기 애노드와 전기화학적 반응으로 인하여 상기 애노드 표면에서 염소계 산화제로 전환될 수 있다. 이때, 상기 캐소드와 상기 음이온 교환막 사이의 공간과 상기 애노드와 상기 음이온 교환막 사이의 공간의 전기적 중성이 일시적으로 깨지게 되고, 상기 캐소드와 상기 음이온 교환막 사이의 공간에 존재하던 음이온들은 음이온 교환막을 통하여 상기 애노드와 상기 음이온 교환막 사이의 공간으로 확산되어 이동할 수 있다. 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 음이온 교환막을 두어 염소 이온을 포함한 오염물질들이 이동할 수 있도록 함으로써, 탈염과 염소계 산화제의 제조를 동시에 진행할 수 있다.Chloride ions present in the space between the anode and the anion exchange membrane can be converted into a chlorine-based oxidizing agent on the surface of the anode due to an electrochemical reaction with the anode. At this time, the electrical neutrality of the space between the cathode and the anion exchange membrane and the space between the anode and the anion exchange membrane is temporarily broken, and the anions present in the space between the cathode and the anion exchange membrane can diffuse and move to the space between the anode and the anion exchange membrane through the anion exchange membrane. By placing an anion exchange membrane between the anode and the cathode to allow contaminants including chloride ions to move, desalination and production of a chlorine-based oxidizing agent can be performed simultaneously.
한편, 상기 애노드에서 염소 이온이 염소계 산화제로 전환된 후, 상기 염소계 산화제는 다시 음이온 교환막을 통해 이동한 오염물질들, 예를 들어 암모늄 이온(NH4 +), 황산염(SO4 2-), 질산염(NO3 -), 아질산염(NO2 -), 인산염(PO4 3-) 등을 산화 분해 시킨 후 다시 염소 이온으로 전환될 수 있다. 이에 따라, 상기 오염물질들의 역류로 인한 상기 음이온 교환막의 오염 및 상기 염소계 산화제의 역류로 인한 음이온 교환막에 포함된 양이온성 관능기의 산화 분해를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 폐수 내 염소 이온을 고효율로 분리할 수 있다.Meanwhile, after the chloride ion is converted into a chlorine-based oxidizer at the anode, the chlorine-based oxidizer can oxidize and decompose pollutants that have moved through the anion exchange membrane, such as ammonium ion ( NH4 + ), sulfate ( SO42- ), nitrate ( NO3- ), nitrite ( NO2- ), phosphate ( PO43- ) , etc., and then be converted back into chloride ion. Accordingly, not only can contamination of the anion exchange membrane due to the reverse flow of the pollutants and oxidative decomposition of the cationic functional group included in the anion exchange membrane due to the reverse flow of the chlorine-based oxidizer be prevented, but also chloride ions in wastewater can be separated with high efficiency.
본 발명에 따른 탈염 장치는 폐수에 포함된 염분을 분리하는 전기 분해 유닛뿐만 아니라, 상기 전기 분해 유닛의 기능이 더 효과적으로 발휘될 수 있도록 피처리수 공급 유로, 피처리수 배출 유로, 세척수 공급 유로 및 세척수 배출 유로를 포함할 수 있다.The desalination device according to the present invention may include an electrolysis unit for separating salt contained in wastewater, as well as a treatment water supply path, a treatment water discharge path, a wash water supply path, and a wash water discharge path so that the function of the electrolysis unit can be more effectively performed.
상기 피처리수 공급 유로는 상기 캐소드측에 위치하여서 상기 탈염 장치의 외부로부터 음이온 교환막으로의 방향으로 피처리수를 공급하는 것일 수 있다. 또한, 상기 피처리수 배출 유로는 상기 캐소드측에 위치하여서 상기 오염물질이 상기 음이온 교환막을 통과하여 상기 애노드측으로 전달되어 제거된 피처리수를 상기 탈염 장치의 외부로 배출하는 것일 수 있다.The above-mentioned treatment water supply path may be located on the cathode side to supply treatment water from the outside of the desalination device toward the anion exchange membrane. In addition, the above-mentioned treatment water discharge path may be located on the cathode side to discharge treatment water in which the pollutants are removed by passing through the anion exchange membrane to the anode side to the outside of the desalination device.
구체적으로, 피처리수 공급 유로와 피처리수 배출 유로는 격막을 사이에 두고 접하고 있고, 피처리수 공급 유로의 유입구 및 피처리수 배출 유로의 배출구의 반대측은 모두 음이온 교환막에 의해 막혀있는 구조이다. 따라서, 피처리수 공급 유로를 따라 유입된 피처리수는 캐소드를 지나 음이온 교환막까지 이동한 후, 상기 피처리수 내 오염물질이 음이온 교환막을 통해 분리되고, 오염물질이 분리된 피처리수는 다시 피처리수 배출 유로를 통해 배출될 수 있다.Specifically, the treatment water supply path and the treatment water discharge path are in contact with each other with a diaphragm therebetween, and the opposite sides of the treatment water supply path's inlet and the treatment water discharge path's outlet are both blocked by an anion exchange membrane. Accordingly, the treatment water introduced along the treatment water supply path passes through the cathode and moves to the anion exchange membrane, and then the contaminants in the treatment water are separated through the anion exchange membrane, and the treatment water from which the contaminants have been separated can be discharged again through the treatment water discharge path.
이와 같이 캐소드측에 위치한 상기 피처리수 공급 유로와 상기 피처리수 배출 유로에 의해 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 피처리수가 캐소드와 음이온 교환막 사이에서 일정한 방향의 순흐름을 가지게 되고, 즉 피처리수 공급 유로로 유입된 피처리수가 음이온 교환막으로 흐르고 상기 피처리수가 음이온 교환막에 도달하면 피처리수 배출 유로 방향으로 절곡되어 흐를 수 있다. 이때, 음이온 교환막 표면에서 상기 피처리수 내의 오염물질, 예를 들어 염소 이온, 암모늄 이온, 질산염 이온 등이 선택적으로 애노드측으로 이동할 수 있다.As shown in Fig. 1, the treated water has a constant directional net flow between the cathode and the anion exchange membrane by the treated water supply channel and the treated water discharge channel located on the cathode side, that is, the treated water introduced into the treated water supply channel flows to the anion exchange membrane, and when the treated water reaches the anion exchange membrane, it can bend and flow in the direction of the treated water discharge channel. At this time, contaminants in the treated water, such as chloride ions, ammonium ions, and nitrate ions, can selectively move to the anode side on the surface of the anion exchange membrane.
한편, 상기 세척수 공급 유로는 상기 애노드측에 위치하여서 상기 탈염 장치의 외부로부터 음이온 교환막으로의 방향으로 세척수를 공급하는 것일 수 있다. 또한, 상기 세척수 배출 유로는 상기 애노드측에 위치하여서 상기 캐소드측으로부터 상기 음이온 교환막을 통과하여 전달된 상기 오염물질을 포함하는 세척수를 상기 탈염 장치의 외부로 배출하는 것일 수 있다.Meanwhile, the washing water supply path may be located on the anode side to supply washing water from the outside of the desalination device toward the anion exchange membrane. In addition, the washing water discharge path may be located on the anode side to discharge washing water containing the contaminants transmitted through the anion exchange membrane from the cathode side to the outside of the desalination device.
구체적으로, 세척수 공급 유로와 세척수 배출 유로는 격막을 사이에 두고 접하고 있고, 세척수 공급 유로의 유입구 및 세척수 배출 유로의 배출구의 반대측은 모두 음이온 교환막에 의해 막혀있는 구조이다. 따라서, 세척수 공급 유로를 따라 유입된 세척수는 애노드를 지나 음이온 교환막까지 이동한 후, 세척수 배출 유로 방향으로 절곡되어 흐를 수 있다. Specifically, the washing water supply path and the washing water discharge path are in contact with each other with a diaphragm in between, and the opposite sides of the inlet of the washing water supply path and the outlet of the washing water discharge path are both blocked by an anion exchange membrane. Accordingly, the washing water introduced along the washing water supply path can pass through the anode and move to the anion exchange membrane, and then flow in a folded manner in the direction of the washing water discharge path.
이 과정에서 세척수 내 염소 이온은 상기 애노드를 거치면서 산화되어 염소계 산화제로 전환되고, 상기 전환된 염소계 산화제는 세척수의 순흐름 방향을 따라 이동하여 음이온 교환막을 통해 이동해온 피처리수 유래의 오염물질을 산화 분해 시킨 후 염소 이온으로 재전환되며, 상기 재전환된 염소 이온을 포함한 세척수가 세척수 배출 유로를 통해 배출될 수 있다. In this process, chlorine ions in the wash water are oxidized as they pass through the anode and converted into a chlorine-based oxidizer. The converted chlorine-based oxidizer moves along the direction of the forward flow of the wash water, oxidizes and decomposes contaminants derived from the treated water that have moved through the anion exchange membrane, and is then reconverted into chlorine ions. The wash water including the reconverted chlorine ions can be discharged through the wash water discharge channel.
상기 세척수는 상기 피처리수를 폐수 처리 시설로부터 처리하여 공급되는 것일 수 있다. 또는 상기 세척수는 외부 지하수로부터 공급되는 것일 수 있다. 즉, 피처리수 내의 오염물질들이 상당부분 제거된 처리수 또는 지하수를 세척수로서 애노드에 공급하는 것일 수 있다. 상기 공급된 세척수가 상기 세척수 공급 유로와 상기 세척수 배출 유로를 거치면서 상기 애노드와 음이온 교환막 사이에서 일정한 방향의 순흐름을 가지게 되고, 상기 애노드에서의 전기화학 반응을 통해 상기 세척수 내 잔여 오염물질들을 제거함과 더불어 상기 음이온 교환막에 잔류하는 오염물질들이 세척될 수 있다. 이에 따라 상기 음이온 교환막 표면에서의 이온성 오염물질의 농도 구배를 최대로 유지할 수 있는 바, 염소 이온의 안정적이고 효율적인 분리가 가능하게 될 수 있다.The above wash water may be supplied by treating the treated water from a wastewater treatment facility. Alternatively, the wash water may be supplied from external groundwater. That is, treated water or groundwater from which a significant portion of contaminants in the treated water have been removed may be supplied to the anode as wash water. As the supplied wash water passes through the wash water supply conduit and the wash water discharge conduit, it has a constant directional positive flow between the anode and the anion exchange membrane, and through an electrochemical reaction at the anode, residual contaminants in the wash water are removed, and contaminants remaining in the anion exchange membrane can be washed. Accordingly, the concentration gradient of ionic contaminants on the surface of the anion exchange membrane can be maintained to the maximum, thereby enabling stable and efficient separation of chloride ions.
상기 음이온 교환막을 통해 애노드측으로 이동한 피처리수 유래의 이온성 오염물질 내 포함된 염소 이온 및 세척수 유래의 이온성 오염물질 내 포함된 염소 이온은 애노드측에서 염소(Cl2), 아염소산(HClO2), 차아염소산(HClO) 및 차아염소산 이온(OCl-)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 염소계 산화제 물질로 전환되고, 상기 전환된 염소계 산화제 물질은 상기 피처리수 또는 세척수 유래의 오염물질을 산화 분해시킬 수 있다.Chlorine ions contained in ionic pollutants derived from the treatment water and chlorine ions contained in ionic pollutants derived from the wash water, which have moved to the anode side through the anion exchange membrane, are converted into at least one chlorine-based oxidizing substance selected from the group consisting of chlorine (Cl 2 ), chlorous acid (HClO 2 ), hypochlorous acid (HClO), and hypochlorite ion (OCl - ) at the anode side, and the converted chlorine-based oxidizing substance can oxidize and decompose the pollutants derived from the treatment water or the wash water.
상기 애노드측에서 전환된 염소계 산화제 물질은 상기 이온성 오염물질을 산화 분해시킨 이후 다시 염소 이온으로 재전환될 수 있으며, 상기 전환된 염소계 산화제 물질은 세척수의 순흐름 방향을 따라 이동하게 되는 결과, 상기 염소계 산화제 물질에 의한 애노드 전극의 산화 및 음이온 교환막에 포함된 양이온성 관능기의 산화 분해를 방지할 수 있다.The chlorine-based oxidizing agent converted on the anode side can be reconverted into chlorine ions after oxidizing and decomposing the ionic pollutants, and the converted chlorine-based oxidizing agent moves along the direction of the forward flow of the washing water, thereby preventing oxidation of the anode electrode by the chlorine-based oxidizing agent and oxidative decomposition of the cationic functional group included in the anion exchange membrane.
상기 세척수는 레이놀드 수가 2000 이하인 층류 흐름을 갖는 것일 수 있다. 레이놀드 수는 하기 식 1과 같이 정의되는 것일 수 있다.The above washing water may have a laminar flow having a Reynolds number of 2000 or less. The Reynolds number may be defined as in Equation 1 below.
[식 1][Formula 1]
(Re: 레이놀드 수, u: 유속, d: 관경, μ: 유체의 동점성계수)(Re: Reynolds number, u: flow velocity, d: pipe diameter, μ: dynamic viscosity of the fluid)
상기 세척수의 레이놀드 수가 2000을 초과하는 경우, 즉 난류 흐름인 경우 세척수가 일정한 흐름 방향을 가질 수 없고 불규칙하게 뒤섞이는 바, 애노드측에서 전환된 염소계 산화제 물질이 분산 또는 확산에 의해 전체 유체에 분포하게 되어 음이온 교환막의 오염 현상이 더욱 심해질 수 있고, 음이온 교환막에 포함된 양이온성 관능기가 산화 분해되어 상기 음이온 교환막의 염소 이온의 선택적 분리 기능이 상실될 수 있다.If the Reynolds number of the above-mentioned washing water exceeds 2000, i.e., if it is a turbulent flow, the washing water cannot have a constant flow direction and is irregularly mixed, so that the chlorine-based oxidizing agent converted on the anode side is distributed throughout the entire fluid by dispersion or diffusion, which may further aggravate the contamination of the anion exchange membrane, and the cationic functional group included in the anion exchange membrane may be oxidized and decomposed, thereby causing the anion exchange membrane to lose its selective separation function for chlorine ions.
또한, 상기 피처리수는 레이놀드 수가 2000 이하인의 층류 흐름인 것일 수 있다. 세척수와 마찬가지로 피처리수 역시 층류 흐름을 가짐으로써 피처리수를 음이온 교환막으로의 방향으로 지속적이고 일정하게 접촉시키게 되는 결과, 피처리수에 포함된 염소 이온을 비롯한 오염물질들의 음이온 교환막을 통한 분리 효율을 더욱 높일 수 있다.In addition, the treatment water may be a laminar flow having a Reynolds number of 2000 or less. As with the wash water, the treatment water also has a laminar flow, which allows the treatment water to be continuously and uniformly brought into contact with the anion exchange membrane, thereby further increasing the separation efficiency of contaminants, including chlorine ions, contained in the treatment water through the anion exchange membrane.
본 발명에 따른 탈염 장치의 경우, 캐소드측에서의 pH 상승과 애노드측에서의 pH 감소가 지속적으로 발생하기 때문에, 피처리수 및 세척수의 pH를 중성 부근으로 조절하는 과정이 반드시 필요할 수 있다.In the case of the desalination device according to the present invention, since a pH increase on the cathode side and a pH decrease on the anode side continuously occur, a process of adjusting the pH of the treated water and the wash water to near neutral may be absolutely necessary.
구체적으로, 피처리수가 공급되는 캐소드측에서는 하기 식 2와 같이 물의 환원 반응이 일어나 수산화이온(OH-)이 지속적으로 생성됨에 따라 pH가 12 이상으로 증가할 수 있다.Specifically, on the cathode side where the treated water is supplied, a water reduction reaction occurs as shown in Equation 2 below, and as hydroxide ions (OH - ) are continuously generated, the pH can increase to 12 or more.
[식 2][Formula 2]
2H2O + 2e- → H2 + 2OH- 2H 2 O + 2e - → H 2 + 2OH -
한편, 염소 이온을 포함한 이온성 오염물질이 분리되어 이동되는 애노드 측은 하기 식 3과 같이 물의 연속적인 전기분해 반응에 의해 수소이온(H+)이 지속적으로 생성됨에 따라 pH가 2 이상으로 감소할 수 있다.Meanwhile, the anode side, where ionic contaminants including chloride ions are separated and moved, can have the pH reduced to 2 or more as hydrogen ions (H + ) are continuously generated by the continuous electrolytic reaction of water as shown in Equation 3 below.
[식 3][Formula 3]
2H2O → O2 + 4H+ + 4e- 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e -
이에 따라, 상기 피처리수 및 세척수의 pH는 각각 독립적으로 5 내지 10, 바람직하게는 pH 6 내지 9, 더 바람직하게는 pH 7 내지 8인 것일 수 있다. 상기 피처리수 및 세척수의 pH가 상기 수치범위의 상한치를 초과하는 경우 상기 음이온 교환막에 포함되는 양이온성 관능기가 수산화 이온과 과도하게 이온결합을 형성하거나 상기 관능기가 수산화 이온에 의해 치환되어 이온 교환 기능을 상실하게 되는 문제가 있을 수 있고, 상기 수치범위의 하한치에 미달되는 경우 음이온 교환막에 분포하는 관능기가 수소 이온에 의해 산화 분해되어 고분자 지지체에서 분리되는 결과 이온 교환막의 이온 교환 성능이 심각하게 저하될 수 있다.Accordingly, the pH of the treatment water and the wash water may each be independently 5 to 10, preferably pH 6 to 9, and more preferably pH 7 to 8. If the pH of the treatment water and the wash water exceeds the upper limit of the numerical range, there may be a problem that the cationic functional group included in the anion exchange membrane forms an excessive ionic bond with hydroxide ions or the functional group is substituted by hydroxide ions, thereby losing the ion exchange function, and if it is below the lower limit of the numerical range, the functional group distributed in the anion exchange membrane may be oxidized and decomposed by hydrogen ions and separated from the polymer support, which may seriously deteriorate the ion exchange performance of the ion exchange membrane.
본 발명에 따른 탈염 장치는 도 1에 나타낸 바와 같이 상기 피처리수 공급 유로 및 피처리수 배출 유로를 포함하는 반복단위 및 상기 세척수 공급 유로 및 세척수 배출 유로를 포함하는 반복단위가 상기 음이온 교환막을 사이에 두고 서로 대향하여 복수개 배치된 것일 수 있다. 이와 같이 피처리수의 공급 및 배출 유로를 포함하는 반복단위와 세척수의 공급 및 배출 유로를 포함하는 반복단위를 복수개 배치함으로써 염소 이온의 분리 및 폐수 내 오염물질의 제거 효율을 더욱 높일 수 있다.The desalination device according to the present invention may be configured such that a plurality of repeating units including the treatment water supply conduit and the treatment water discharge conduit and the repeating units including the wash water supply conduit and the wash water discharge conduit are arranged facing each other with the anion exchange membrane interposed therebetween. By arranging a plurality of repeating units including the treatment water supply and discharge conduit and the wash water supply and discharge conduit, the efficiency of separation of chlorine ions and removal of contaminants in wastewater can be further increased.
또한, 본 발명에 따른 탈염 장치는 상기 세척수 배출 유로로부터 배출되는 세척수에 추가적인 전기 분해를 수행하기 위해 상기 전기 분해 유닛의 후단에 캐소드 및 애노드를 포함하는 반복단위가 복수개 배치된 것일 수 있다. 이에 따라, 분리된 염소 이온을 연속적으로 사용하여 염소계 산화제의 형성 및 그로 인한 오염물질들의 산화 분해가 연속적으로 이루어질 수 있는 바, 탈염 및 오염물질의 분해 성능을 극대화할 수 있다.In addition, the desalination device according to the present invention may have a plurality of repeating units including a cathode and an anode arranged at the rear end of the electrolysis unit in order to perform additional electrolysis on the wash water discharged from the wash water discharge conduit. Accordingly, separated chlorine ions can be continuously used to continuously form a chlorine-based oxidizing agent and thereby oxidatively decompose pollutants, thereby maximizing the desalination and pollutant decomposition performance.
상기 배출되는 피처리수 내 염소 이온의 농도는 상기 공급된 피처리수 내 염소 이온 농도 대비 80% 이상, 바람직하게는 85% 이상, 더 바람직하게는 90% 이상 감소된 것일 수 있다. 또한, 상기 세척수 배출부로부터 배출되는 세척수 내 화학적 산소 요구량(COD)은 상기 공급된 세척수 내 화학적 산소 요구량 대비 75% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 더 바람직하게는 82% 이상 감소하는 것일 수 있다. The concentration of chloride ions in the discharged treated water may be reduced by 80% or more, preferably 85% or more, and more preferably 90% or more, compared to the concentration of chloride ions in the supplied treated water. In addition, the chemical oxygen demand (COD) in the wash water discharged from the wash water discharge unit may be reduced by 75% or more, preferably 80% or more, and more preferably 82% or more, compared to the chemical oxygen demand in the supplied wash water.
상기 전기 분해 유닛을 통과하여 세척수 배출부로부터 배출되는 세척수 내 암모늄 이온(NH4 +)의 농도는 상기 공급된 세척수 내 암모늄 이온의 농도 대비 94%이상, 바람직하게는 95% 이상 감소하는 것일 수 있다.The concentration of ammonium ions ( NH4 + ) in the wash water discharged from the wash water discharge port through the electrolysis unit may be reduced by 94% or more, preferably 95% or more, compared to the concentration of ammonium ions in the supplied wash water.
상기와 같은 피처리수 내 염소 이온 농도, 세척수 내 화학적 산소 요구량 및 암모늄 이온 농도의 감소율을 달성하기 위해 본 발명에 따른 탈염 장치에는 10 내지 30 mA/㎠, 바람직하게는 15 내지 30 mA/㎠, 더 바람직하게는 20 내지 25 mA/㎠ 이상의 전류밀도가 적용되는 것일 수 있다.In order to achieve the reduction rates of the chloride ion concentration in the treatment water, the chemical oxygen demand in the wash water, and the ammonium ion concentration as described above, the desalination device according to the present invention may be applied with a current density of 10 to 30 mA/cm2, preferably 15 to 30 mA/cm2, and more preferably 20 to 25 mA/cm2 or more.
본 발명의 다른 일 실시형태에 따른 탈염 방법에 의하면, 피처리수 내의 오염물질을 제거하기 위한 탈염 방법으로서, 상기 피처리수를 피처리수 공급 유로를 통해 전기 분해 유닛의 캐소드를 거쳐서 음이온 교환막으로의 방향으로 공급하는 피처리수의 공급 단계; 상기 피처리수 내의 오염물질을 상기 음이온 교환막을 통과시켜서 애노드측으로 전달하여 제거하는 오염물질의 전달 단계; 상기 오염물질이 제거된 피처리수를 상기 음이온 교환막으로부터 상기 캐소드를 거쳐서 피처리수 배출 유로를 통해 외부로 배출하는 피처리수의 배출 단계; 세척수를 세척수 공급 유로를 통해 상기 음이온 교환막으로의 방향으로 공급하는 세척수의 공급 단계; 및 상기 음이온 교환막을 통과하여 전달된 상기 오염물질을 포함하는 세척수를 상기 애노드를 거쳐서 세척수 배출 유로를 통해 외부로 배출하는 세척수의 배출 단계;를 포함하고, 상기 세척수의 순흐름은 상기 세척수 공급 유로의 길이 방향을 따라서 선형의 흐름을 가지는 것인, 탈염 방법을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, a desalination method for removing contaminants in water to be treated is provided, comprising: a water supply step of supplying the water to be treated through a water supply conduit through a cathode of an electrolysis unit toward an anion exchange membrane; a contaminant transfer step of removing the contaminants in the water to be treated by passing them through the anion exchange membrane toward the anode; a water discharge step of discharging the water to be treated from which the contaminants have been removed from the anion exchange membrane through the cathode to the outside through a water discharge conduit; a washing water supply step of supplying washing water through the washing water supply conduit toward the anion exchange membrane; and a washing water discharge step of discharging washing water including the contaminants transferred through the anion exchange membrane to the outside through the anode to the outside through a washing water discharge conduit; wherein the net flow of the washing water has a linear flow along the longitudinal direction of the washing water supply conduit.
본 발명의 탈염 장치에 대해 설명한 내용 중 본 발명의 탈염 방법과 중복되는 내용은 그 상세한 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Among the contents described for the desalination device of the present invention, any contents that overlap with the desalination method of the present invention may be applied equally even if the detailed description is omitted.
상기 세척수의 순흐름은 상기 탈염 장치의 외부로부터 세척수 공급 유로를 따라 음이온 교환막으로의 방향으로의 선형의 흐름과, 상기 음이온 교환막과 평행한 방향의 흐름과, 상기 음이온 교환막으로부터 상기 세척수 배출 유로를 따라 상기 탈염 장치의 외부로의 방향으로의 선형의 흐름을 가지는 것일 수 있다.The above-mentioned net flow of the washing water may have a linear flow from the outside of the desalination device along the washing water supply path toward the anion exchange membrane, a flow in a direction parallel to the anion exchange membrane, and a linear flow from the anion exchange membrane along the washing water discharge path toward the outside of the desalination device.
또한, 상기 피처리수의 순흐름은 상기 탈염 장치의 외부로부터 피처리수 공급 유로를 따라 음이온 교환막으로의 방향으로의 선형의 흐름과, 상기 음이온 교환막과 평행한 방향의 흐름과, 상기 음이온 교환막으로부터 상기 피처리수 배출 유로를 따라 상기 탈염 장치의 외부로의 방향으로의 선형의 흐름을 가지는 것일 수 있다.In addition, the net flow of the treated water may have a linear flow from the outside of the desalination device along the treated water supply path toward the anion exchange membrane, a flow in a direction parallel to the anion exchange membrane, and a linear flow from the anion exchange membrane along the treated water discharge path toward the outside of the desalination device.
상기 상기 세척수는 레이놀드 수가 2000 이하인 층류 흐름인 것일 수 있다. 상기 세척수의 레이놀드 수가 2000을 초과하는 경우, 즉 난류 흐름인 경우 세척수가 일정한 흐름 방향을 가질 수 없고 불규칙하게 뒤섞이는 바, 애노드측에서 전환된 염소계 산화제 물질이 분산 또는 확산에 의해 전체 유체에 분포하게 되어 음이온 교환막의 오염 현상이 더욱 심해질 수 있고, 음이온 교환막에 포함된 양이온성 관능기가 산화 분해되어 상기 음이온 교환막의 염소 이온의 선택적 분리 기능이 상실될 수 있다.The above washing water may be a laminar flow having a Reynolds number of 2000 or less. If the Reynolds number of the washing water exceeds 2000, i.e., if it is a turbulent flow, the washing water cannot have a constant flow direction and is irregularly mixed, so that the chlorine-based oxidizing agent converted on the anode side is distributed throughout the entire fluid by dispersion or diffusion, which may further aggravate the contamination of the anion exchange membrane, and the cationic functional group included in the anion exchange membrane may be oxidized and decomposed, thereby causing the anion exchange membrane to lose its selective separation function of chlorine ions.
또한, 상기 피처리수는 레이놀드 수가 2000 이하인 층류 흐름인 것일 수 있다. 세척수와 마찬가지로 피처리수 역시 층류 흐름을 가짐으로써 피처리수를 음이온 교환막으로의 방향으로 지속적이고 일정하게 접촉시키게 되는 결과, 피처리수에 포함된 염소 이온을 비롯한 오염물질들의 음이온 교환막을 통한 분리 효율을 더욱 높일 수 있다.In addition, the treatment water may be a laminar flow having a Reynolds number of 2000 or less. As with the wash water, the treatment water also has a laminar flow, which allows the treatment water to be continuously and uniformly brought into contact with the anion exchange membrane, thereby further increasing the separation efficiency of contaminants, including chlorine ions, contained in the treatment water through the anion exchange membrane.
상기 오염물질은 염소 이온(Cl-), 암모늄 이온(NH4 +), 황산염(SO4 2-), 질산염(NO3 -), 아질산염(NO2 -), 인산염(PO4 3-)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 이온성 오염물질 및 용존성 유기오염물질을 포함하는 것일 수 있다. 특히, 피처리수 내의 암모늄 이온과 같은 양이온 및 용존성 유기오염물질은 도난 효과(donnan effect)에 의해 음이온 교환막을 통해 분산 또는 확산되는 것일 수 있다. The above pollutants may include ionic pollutants and dissolved organic pollutants including at least one selected from the group consisting of chloride ion (Cl - ), ammonium ion (NH 4 + ), sulfate (SO 4 2- ), nitrate (NO 3 - ), nitrite (NO 2 - ), and phosphate (PO 4 3- ). In particular, cations such as ammonium ion and dissolved organic pollutants in the treatment water may be dispersed or diffused through the anion exchange membrane by the Donnan effect.
상기 오염물질은 피처리수 및 세척수에 모두 포함될 수 있고, 상기 피처리수에는 상기 세척수보다 상대적으로 고농도로 포함되는 것일 수 있다.The above pollutants may be included in both the untreated water and the wash water, and may be included in a relatively higher concentration in the untreated water than in the wash water.
또한, 상기 탈염 방법은 상기 피처리수 또는 세척수 유래의 오염물질 내 포함된 염소 이온이 애노드측에서 염소(Cl2), 아염소산(HClO2), 차아염소산(HClO) 및 차아염소산 이온(OCl-)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질로 전환되는 단계; 및 상기 전환된 물질이 상기 피처리수 또는 세척수 유래의 오염물질을 산화 분해시키는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.In addition, the desalination method may further include a step of converting chlorine ions contained in pollutants derived from the treatment water or wash water into at least one substance selected from the group consisting of chlorine (Cl 2 ), chlorous acid (HClO 2 ), hypochlorous acid (HClO), and hypochlorite ion (OCl - ) at the anode side; and a step of causing the converted substance to oxidize and decompose the pollutants derived from the treatment water or wash water.
상기 산화 분해 단계에서 상기 전환된 물질은 상기 오염물질을 산화 분해시킨 이후 다시 염소 이온으로 재전환되는 것일 수 있다.In the above oxidation decomposition step, the converted substance may be reconverted back into chloride ions after oxidizing and decomposing the pollutant.
상기 피처리수 및 세척수가 일정 방향의 순흐름을 유지함으로써 상기 피처리수 및 세척수에 포함된 오염물질이 애노드 방향으로 일정하게 이동하게 되는 결과, 음이온 교환막을 통과한 피처리수 내 염소 이온 및 세척수 내 염소 이온이 상기 애노드에서 염소, 아염소산, 차아염소산 및 차아염소산 이온과 같은 염소계 산화제로 전환된 후 피처리수 및 세척수에 포함된 염소 이온을 제외한 오염물질을 산화 분해하고 다시 염소 이온으로 전환되어 배출되는 바, 상기 염소계 산화제의 역류에 의한 음이온 교환막의 오염 및 전극의 산화를 방지하고, 음이온 교환막에 포함된 양이온성 관능기의 산화 분해를 방지할 수 있다. 또한, 음이온 교환막 표면이 연속적으로 세척되는 효과가 있어 상기 음이온 교환막 표면에서의 오염물질의 농도 구배를 최대로 유지할 수 있는 바, 염소 이온의 안정적이고 효율적인 분리가 가능하게 될 수 있다.Since the above-described treatment water and wash water maintain a constant directional flow, contaminants contained in the treatment water and wash water move constantly toward the anode, as a result, chlorine ions in the treatment water and chlorine ions in the wash water passing through the anion exchange membrane are converted into chlorine-based oxidizing agents such as chlorine, chlorous acid, hypochlorous acid, and hypochlorite ions at the anode, and then contaminants except for chlorine ions contained in the treatment water and wash water are oxidized and decomposed, and then converted back to chlorine ions and discharged, thereby preventing contamination of the anion exchange membrane and oxidation of the electrode due to the counterflow of the chlorine-based oxidizing agent, and preventing oxidative decomposition of cationic functional groups contained in the anion exchange membrane. In addition, since the surface of the anion exchange membrane is continuously washed, the concentration gradient of contaminants on the surface of the anion exchange membrane can be maintained to the maximum, thereby enabling stable and efficient separation of chlorine ions.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described more specifically through examples. However, these examples are only intended to help understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples in any way.
<실시예 1> 층류를 이용한 탈염 장치를 이용한 탈염 효과의 확인<Example 1> Confirmation of desalination effect using a desalination device using laminar flow
도 1에 나타낸 바와 같이, 탈염 장치의 전기 분해 유닛은 Ti mesh 캐소드, 음이온 교환막, IrO2/Ti mesh 애노드로 구성하였고, 음이온 교환막으로는 1㎛의 미세 기공을 가진 음이온 교환 부직포를 사용하였다. 음이온 교환막을 중심으로 캐소드의 위치는 10cm 떨어진 곳에 위치시켰고, 애노드의 위치는 15㎝ 떨어진 곳에 위치시켰다. 캐소드와 애노드의 크기는 7㎝ x 7㎝이었다.As shown in Fig. 1, the electrolysis unit of the desalination device consisted of a Ti mesh cathode, an anion exchange membrane, and an IrO 2 /Ti mesh anode. An anion exchange nonwoven fabric with 1 μm micropores was used as the anion exchange membrane. The cathode was positioned 10 cm away from the anion exchange membrane, and the anode was positioned 15 cm away. The size of the cathode and anode was 7 cm x 7 cm.
캐소드측에 피처리수 공급 유로 및 피처리수 배출 유로를 설치하였고, 애노드측에 세척수 공급 유로 및 세척수 배출 유로를 설치하였으며, 10cm 직경의 원통형 관으로 이루어진 피처리수 공급 유로 및 피처리수 배출 유로로 구성된 반복단위 및 세척수 공급 유로 및 세척수 배출 유로로 구성된 반복단위를 음이온 교환막을 따라 각각 5개씩 대향되도록 설치하였다.A treatment water supply channel and a treatment water discharge channel were installed on the cathode side, a wash water supply channel and a wash water discharge channel were installed on the anode side, and a repeating unit consisting of a treatment water supply channel and a treatment water discharge channel made of a cylindrical tube with a diameter of 10 cm and a repeating unit consisting of a wash water supply channel and a wash water discharge channel were installed five at a time, facing each other along the anion exchange membrane.
피처리수와 세척수를 층류 흐름을 유지하면서 음이온 교환막의 방향으로 공급하기 위해 피처리수 공급 유로와 세척수 공급 유로에 각각 펌프를 설치하였다.To supply the treated water and wash water in the direction of the anion exchange membrane while maintaining a laminar flow, pumps were installed in each of the treated water supply path and the wash water supply path.
또한 연속적인 염소계 산화제의 생성 및 암모늄 이온을 비롯한 이온성 유기오염물질의 산화 분해를 수행하고 분리된 염소 이온을 연속적으로 사용하기 위해, 세척수가 음극을 통과한 이후 상기 전기 분해 유닛을 복수로 통과하면서 전기화학 반응을 거치도록 10㎝ 마다 캐소드와 애노드의 쌍을 5개 설치하였다. 추가적으로 설치된 양극과 음극 쌍 사이의 거리는 1㎝ 이었다. 음이온 교환막은 5개의 유입수 및 세척수관의 직경에 맞도록 설치하였다. In addition, in order to perform continuous generation of chlorine-based oxidizers and oxidative decomposition of ionic organic pollutants including ammonium ions and to continuously use the separated chlorine ions, five pairs of cathodes and anodes were installed at 10 cm intervals so that the wash water passes through the cathode and then the electrolysis unit multiple times to undergo an electrochemical reaction. Additionally, the distance between the installed anode and cathode pairs was 1 cm. The anion exchange membranes were installed to match the diameters of the five influent and wash water pipes.
탈염 장치의 캐소드측 전체 크기는 가로 150㎝, 폭 10㎝, 높이 100㎝이며, 애노드 측의 전체 크기는 가로 150㎝, 폭 10㎝, 높이 100㎝이었다.The overall dimensions of the cathode side of the desalination device were 150 cm in width, 10 cm in height, and the overall dimensions of the anode side were 150 cm in width, 10 cm in width, and 100 cm in height.
피처리수로는 pH 8.0, COD 8,310 ppm, 암모니아 2,450 ppm 및 염분 51,200 ppm(5.12%)인 폐수를 이용하였고, 세척수는 pH 8.3, COD 840 ppm, 암모니아 880 ppm, 염분 5,300 ppm인 피처리수 처리시설에서 배출되는 유출수를 이용하였다.The wastewater used as treatment water had pH 8.0, COD 8,310 ppm, ammonia 2,450 ppm, and salinity 51,200 ppm (5.12%), and the effluent discharged from the treatment water treatment facility had pH 8.3, COD 840 ppm, ammonia 880 ppm, and salinity 5,300 ppm as wash water.
상기 펌프를 통해 피처리수 공급 유로 및 세척수 공급 유로에 50 L/h 유량의 피처리수 및 세척수를 공급하여 레이놀드 수를 2000 이하로 유지시켰다.The Reynolds number was maintained at 2000 or less by supplying the treated water and wash water at a flow rate of 50 L/h to the treated water supply path and wash water supply path through the above pump.
한편, pH를 5~10 사이에서 운전될 수 있도록 0.1N 황산, 0.1N 수산화나트륨을 이용하여 pHI/C로 pH를 조정하였다.Meanwhile, the pH was adjusted by pHI/C using 0.1 N sulfuric acid and 0.1 N sodium hydroxide so that the pH could be operated between 5 and 10.
상기 탈염 장치에 전류밀도는 각각 10, 15, 20, 25, 30 mA/㎠으로 인가하여 탈염 반응을 수행하였다. 음이온 교환막 표면의 세척효과 및 농도 구배의 최적화를 확인하기 위해 상기 탈염 장치를 24시간 동안 연속 운전한 이후, 음이온 교환막 통과 전·후의 pH, COD, 암모니아, 염소 이온의 농도를 측정하여 비교하였으며, 음이온 교환막 표면을 통과하는 플럭스를 계산하여 이온교환 직후 음이온 교환막 표면의 세척 정도를 관찰하여 하기 표 1 내지 표 4에 나타내었다. 구체적으로, 표 1은 음이온 교환막 통과 전·후의 농도 비교, 표 2는 피처리수 유출 농도 및 피처리수 유입, 유출 농도의 차이(음이온 교환막을 통해 이온교환된 농도), 표 3은 세척수 유입 및 최종 유출 농도, 표 4는 24시간 경과 후 25 mA/㎠에서의 세척수에 의한 이온교환막 세척 효과에 따른 플럭스 비교를 나타낸 것이다.The desalination reaction was performed by applying current densities of 10, 15, 20, 25, and 30 mA/cm2 to the above desalination device, respectively. In order to confirm the cleaning effect of the anion exchange membrane surface and the optimization of the concentration gradient, the desalination device was operated continuously for 24 hours, and the concentrations of pH, COD, ammonia, and chloride ions before and after passing through the anion exchange membrane were measured and compared. In addition, the flux passing through the anion exchange membrane surface was calculated to observe the degree of cleaning of the anion exchange membrane surface immediately after ion exchange, which are shown in Tables 1 to 4 below. Specifically, Table 1 shows a comparison of concentrations before and after passing through the anion exchange membrane, Table 2 shows the difference between the treatment water effluent concentration and the treatment water inflow and effluent concentrations (the concentration ion-exchanged through the anion exchange membrane), Table 3 shows the wash water inflow and final effluent concentrations, and Table 4 shows a comparison of flux according to the ion exchange membrane cleaning effect by wash water at 25 mA/cm2 after 24 hours.
(mA/㎠)Current density
(mA/㎠)
(mg/L)COD
(mg/L)
(mg/L)NH 4 +
(mg/L)
(mg/L)Cl -
(mg/L)
상기 표 1에서 음이온 교환막 통과 전의 농도는 피처리수의 농도이고, 음이온 교환막 통과 후의 농도는 피처리수가 음이온 교환막을 통과하여 세척수와 혼합된 농도이다.In the above Table 1, the concentration before passing through the anion exchange membrane is the concentration of the untreated water, and the concentration after passing through the anion exchange membrane is the concentration of the untreated water mixed with the wash water after passing through the anion exchange membrane.
(mA/㎠)Current density
(mA/㎠)
(mg/L)COD
(mg/L)
(mg/L)NH 4 +
(mg/L)
(mg/L)Cl -
(mg/L)
상기 표 2에서 피처리수 유출농도는 피처리수 유입수에서 음이온 교환막을 거쳐 유출되는 농도로 피처리수 유입수에서 음이온 교환막을 통해 이온교환되고 남은 잔류 농도이다.In the above Table 2, the treatment water effluent concentration is the concentration that flows out from the treatment water influent through the anion exchange membrane, and is the residual concentration that remains after ion exchange through the anion exchange membrane in the treatment water influent.
(mA/㎠)Current density
(mA/㎠)
(mg/L)COD
(mg/L)
(mg/L)NH 4 +
(mg/L)
(mg/L)Cl -
(mg/L)
상기 표 3에서 세척수의 유출 농도는 음이온 교환막 통과 후 양극, 음극 쌍으로 이루어진 5개의 반복단위를 거쳐 산화 분해된 후의 남은 잔류 농도이다.In Table 3 above, the effluent concentration of the wash water is the residual concentration remaining after passing through the anion exchange membrane and undergoing oxidation and decomposition through five repeating units consisting of anode and cathode pairs.
상기 표 4에서 음이온 교환막 통과 후 이론적인 플러스 값은 피처리수가 이온 교환된 직후 음이온 교환막을 통과하여 나타나는 이온성 오염물질의 이온교환막 표면에서의 플럭스 값이다. In Table 4 above, the theoretical plus value after passing through the anion exchange membrane is the flux value of ionic contaminants on the surface of the ion exchange membrane that appear when the treated water passes through the anion exchange membrane immediately after ion exchange.
음이온 교환막 통과 후 실측값은 세척수에 의하여 음이온 교환막이 세척되었을 때, 음이온 교환막 표면에서 이온 교환된 이온성 오염물질의 농도를 측정하여 계산된 음이온 교환막 표면에서의 플럭스 값이다.The actual value after passing through the anion exchange membrane is the flux value on the surface of the anion exchange membrane calculated by measuring the concentration of ionic contaminants that have been ion-exchanged on the surface of the anion exchange membrane when the anion exchange membrane has been washed with washing water.
음이온 교환막 플럭스의 이론값과 실측값이 비슷할 경우, 이온 교환 후 음이온 교환막 표면이 세척되고 음이온 교환막 표면에서의 오염물질의 농도가 감소하여, 전기구배 및 농도구배에 의한 이온성 오염물질의 이온교환 속도가 저감됨이 없이 계속하여 이론값에 근접하게 이온교환되고 있음을 나타낸다.If the theoretical and measured values of the anion exchange membrane flux are similar, it indicates that the anion exchange membrane surface is washed after ion exchange and the concentration of contaminants on the anion exchange membrane surface is reduced, so that the ion exchange rate of ionic contaminants due to the electric gradient and concentration gradient is not reduced and ion exchange continues close to the theoretical value.
<비교예 1> 난류를 이용한 탈염 장치를 이용한 탈염 효과의 확인<Comparative Example 1> Confirmation of desalination effect using a desalination device utilizing turbulent flow
실시예 1에 따른 층류 흐름을 이용한 탈염 장치와의 탈염 효과의 대비를 위해 도 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1과 동일한 체적의 반응조를 제작하고 난류 형태의 완전혼합흐름을 이용하여 탈염 실험을 수행하였다.In order to compare the desalination effect with that of a desalination device using laminar flow according to Example 1, a reactor having the same volume as Example 1 was manufactured as shown in Fig. 2, and a desalination experiment was performed using a completely mixed flow in the form of turbulent flow.
탈염 장치의 전기 분해 유닛은 Ti mesh 캐소드, 음이온 교환막, IrO2/Ti mesh 애노드로 구성하였고, 음이온 교환막으로는 1㎛의 미세 기공을 가진 음이온 교환 부직포를 사용하였다. 음이온 교환막을 중심으로 캐소드측 및 애노드측의 반응조 크기를 같게 제작하였으며, 캐소드와 애노드의 위치는 실시예 1과 같이 이온교환막에서 각각 10cm, 15cm 떨어진 곳에 위치시켰다.The electrolysis unit of the desalination device consisted of a Ti mesh cathode, an anion exchange membrane, and an IrO 2 /Ti mesh anode. An anion exchange nonwoven fabric with 1 μm micropores was used as the anion exchange membrane. The reaction tank sizes on the cathode side and the anode side were manufactured to be the same with the anion exchange membrane at the center, and the cathode and anode were positioned 10 cm and 15 cm away from the ion exchange membrane, respectively, as in Example 1.
캐소드측에 피처리수 공급 유로 및 피처리수 배출 유로를 설치하였고, 애노드측에 유입수 공급 유로 및 유입수 배출 유로를 설치하였다. 상기 피처리수 및 유입수를 공급하기 위해 피처리수 공급 유로와 유입수 공급 유로에 각각 펌프를 설치하였다.A treatment water supply path and a treatment water discharge path were installed on the cathode side, and an influent water supply path and an influent water discharge path were installed on the anode side. In order to supply the treatment water and influent water, pumps were installed in each of the treatment water supply path and the influent water supply path.
캐소드측 전체 크기는 가로 150cm, 폭 10cm, 높이 100cm이며, 애노드측의 전체 크기는 가로 150cm, 폭 10cm, 높이 100cm이었다. 음이온 교환막의 크기는 실시예 1과 같이 가로 10cm, 세로 100cm 이었으며, 캐소드 및 애노드의 크기는 가로 7cm, 세로 7cm의 전극 10개를 수직으로 직렬로 연결하였다.The overall size of the cathode side was 150 cm in width, 10 cm in height, and 100 cm in height, and the overall size of the anode side was 150 cm in width, 10 cm in width, and 100 cm in height. The size of the anion exchange membrane was 10 cm in width, 100 cm in height, as in Example 1, and the sizes of the cathode and anode were 10 electrodes each 7 cm in width and 7 cm in height, which were connected vertically in series.
실시예 1과 비교하기 위해서 캐소드측에 50L/h 유량의 피처리수 및 애노드측으로 50L/h 유량의 유입수를 유입하였으며, 상기 피처리수는 pH 8.1, COD 8,420 ppm, 암모니아 2,150 ppm, 염분 50,800 ppm(5.08%)인 폐수를 사용하였고, 애노드측에 공급되는 유입수로 피처리수 처리시설에서 배출되는 유출수를 이용하였으며, pH 8.2, COD 1020 ppm, 암모니아 1250 ppm, 염분 7,100 ppm이었다. 캐소드측 및 애노드측 반응조는 믹서로 완전혼합하였다.For comparison with Example 1, 50 L/h of untreated water was introduced into the cathode side and 50 L/h of influent was introduced into the anode side. The untreated water used was wastewater with pH 8.1, COD 8,420 ppm, ammonia 2,150 ppm, and salinity 50,800 ppm (5.08%), and the effluent discharged from the untreated water treatment facility was used as the influent supplied to the anode side, and it had pH 8.2, COD 1020 ppm, ammonia 1250 ppm, and salinity 7,100 ppm. The cathode-side and anode-side reactors were completely mixed using a mixer.
0.1N 황산, 0.1N 수산화나트륨을 이용하여 pHI/C로 pH를 조정하였다.The pH was adjusted by pHI/C using 0.1 N sulfuric acid and 0.1 N sodium hydroxide.
상기 탈염 장치의 전류밀도는 실시예 1과 같이 10, 15, 20, 25, 30 mA/㎠으로 인가하였으며, 음이온 교환막 표면에서의 농도구배를 확인하기 위해 24시간 연속 운전 후 음이온 교환막 표면 부근에서 음이온 교환막 통과 전 후의 pH, COD, 암모니아, 염분의 농도를 측정하여 비교하였으며, 음이온 교환막 표면을 통과하는 플럭스를 계산하여 이온교환 직후의 음이온 교환막 표면의 세척 정도를 관찰하여 하기 표 5 내지 표 8에 나타내었다. 구체적으로, 표 5는 음이온 교환막 통과 전·후의 농도 비교, 표 6은 피처리수 유출 농도 및 피처리수 유입, 유출 농도의 차이(음이온 교환막을 통해 이온교환된 농도), 표 7은 애노드측 유입수 유입 및 최종 유출 농도, 표 8은 24시간 경과 후 25 mA/㎠에서의 세척수에 의한 이온교환막 세척 효과에 따른 플럭스 비교를 나타낸 것이다.The current density of the above desalination device was applied as 10, 15, 20, 25, and 30 mA/cm2 as in Example 1, and in order to confirm the concentration gradient on the surface of the anion exchange membrane, the concentrations of pH, COD, ammonia, and salt before and after passing through the anion exchange membrane were measured and compared near the surface of the anion exchange membrane after continuous operation for 24 hours, and the flux passing through the surface of the anion exchange membrane was calculated to observe the degree of cleaning of the surface of the anion exchange membrane immediately after ion exchange, which are shown in Tables 5 to 8 below. Specifically, Table 5 shows a comparison of concentrations before and after passing through the anion exchange membrane, Table 6 shows the difference between the concentration of the effluent of treated water and the concentrations of the influent and effluent of treated water (the concentration ion-exchanged through the anion exchange membrane), Table 7 shows the concentrations of the influent and final effluent on the anode side, and Table 8 shows a comparison of flux according to the effect of washing the ion exchange membrane with washing water at 25 mA/cm2 after 24 hours.
(mA/㎠)Current density
(mA/㎠)
(mg/L)COD
(mg/L)
(mg/L)NH 4 +
(mg/L)
(mg/L)Cl -
(mg/L)
(mA/㎠)Current density
(mA/㎠)
(mg/L)COD
(mg/L)
(mg/L)NH 4 +
(mg/L)
(mg/L)Cl -
(mg/L)
(mA/㎠)Current density
(mA/㎠)
(mg/L)COD
(mg/L)
(mg/L)NH 4 +
(mg/L)
(mg/L)Cl -
(mg/L)
<결과 해석> <Interpretation of Results>
1. pH1. pH
도 3을 참고하면, 실시예 1에 따른 층류 흐름을 적용한 탈염 장치를 이용하는 경우, 애노드 표면에서 생성된 염소계 산화제가 일정한 방향으로 흐르는 피처리수 및 세척수에 의해서 완벽하게 분리되어 전체 전류밀도에 걸쳐 pH 8.0 내지 8.1로 유입된 후 세척수의 최종 유출수에서 pH 6.8 내지 7.3으로 유출되어 안정적으로 운전되었다(예: 25 mA/㎠의 전류밀도에서 표 1의 음이온 교환막 통과전 피처리수는 pH는 8.0로 유입된 후 표 3의 세척수 최종 유출수에서는 pH 6.8로 유출).Referring to FIG. 3, when using a desalination device applying a laminar flow according to Example 1, the chlorine-based oxidant generated on the surface of the anode was completely separated by the treated water and wash water flowing in a constant direction, and was introduced at a pH of 8.0 to 8.1 over the entire current density, and then was discharged at a pH of 6.8 to 7.3 in the final effluent of the wash water, thereby operating stably (e.g., at a current density of 25 mA/cm2, the treated water before passing through the anion exchange membrane in Table 1 was introduced at a pH of 8.0, and then was discharged at a pH of 6.8 in the final effluent of the wash water in Table 3).
비교예 1에 따른 난류형태의 완전혼합흐름 탈염 장치를 이용하는 경우, 애노드 표면에서 생성된 염소계 산화제가 유체 전체로 혼합됨에 따라 전체 전류밀도에 걸쳐 pH는 8.1로 유입된 후 pH 2.2 내지 3.0으로 유출되어 pH I/C에 연결된 0.1N NaOH를 완전히 소모한 후 지속적으로 pH가 낮아졌다(예: 25 mA/㎠의 전류밀도에서 표 5의 음이온 교환막 통과전 피처리수는 pH는 8.1로 유입된 후 표 7의 애노드측 유입수 최종 유출수에서는 pH 2.2로 유출). 즉, 음이온 교환막의 이온교환 관능기가 산화 분해되어 이온교환 기능이 완전히 상실된 것이다.When using the turbulent completely mixed flow desalination device according to Comparative Example 1, as the chlorine-based oxidant generated on the anode surface was mixed throughout the fluid, the pH entered at 8.1 over the entire current density and then flowed out at pH 2.2 to 3.0, and the pH continuously decreased after the 0.1 N NaOH connected to the pH I/C was completely consumed (e.g., at a current density of 25 mA/cm2, the treated water before passing through the anion exchange membrane in Table 5 entered at pH 8.1 and then flowed out at pH 2.2 in the anode-side influent and final effluent in Table 7). That is, the ion exchange functional groups of the anion exchange membrane were oxidized and decomposed, and the ion exchange function was completely lost.
2. 피처리수에서의 염소 이온의 분리2. Separation of chloride ions from treated water
실시예 1에 따른 층류 흐름을 적용한 탈염 장치를 이용하는 경우, 전류밀도 10, 15, 20, 25, 30 mA/㎠에 걸쳐 염소 이온은 각각 80.8%, 85.5%, 94.4%, 95.1%, 94.9%로 분리되었다(예: 25 mA/㎠의 전류밀도에서 표 1에서의 음이온 교환막 통과전의 피처리수 유입 농도에서 51200 ppm이 염소 이온이 유입되고 표 2에서의 피처리수 유출 농도에서 2500 ppm이 유출되는 바, 95.1%의 염소 이온 분리가 가능). 해당 결과는 도 4에 나타내었다.When using a desalination device applying a laminar flow according to Example 1, chloride ions were separated at 80.8%, 85.5%, 94.4%, 95.1%, and 94.9% at current densities of 10, 15, 20, 25, and 30 mA/cm2, respectively (e.g., at a current density of 25 mA/cm2, 51200 ppm of chloride ions were introduced from the influent concentration of the untreated water before passing through the anion exchange membrane in Table 1, and 2500 ppm were discharged from the effluent concentration of the untreated water in Table 2, so that 95.1% chloride ion separation was possible). The results are shown in Fig. 4.
반면, 비교예 1에 따른 난류형태의 완전혼합흐름 탈염 장치를 이용하는 경우, 전류밀도 10, 15, 20, 25, 30 mA/㎠에 걸쳐 염소 이온은 각각 0.4%, 2.4%, 0.6%, 0.2%, 0.16%로 분리되었다(예: 25 mA/㎠의 전류밀도에서 표 5에서의 음이온 교환막 통과 전의 피처리수 유입 농도에서 50800 ppm이 염소 이온이 유입되고 표 6에서의 피처리수 유출 농도에서 50700 ppm이 유출되는 바, 0.2%의 염소 이온 분리가 가능).On the other hand, when using the turbulent completely mixed flow desalination device according to Comparative Example 1, chloride ions were separated at 0.4%, 2.4%, 0.6%, 0.2%, and 0.16% at current densities of 10, 15, 20, 25, and 30 mA/cm2, respectively (e.g., at a current density of 25 mA/cm2, 50,800 ppm of chloride ions were introduced from the influent concentration of the untreated water before passing through the anion exchange membrane in Table 5, and 50,700 ppm were discharged from the effluent concentration of the untreated water in Table 6, so that 0.2% chloride ion separation was possible).
3. 애노드측에서의 유기 오염물질의 최종 유출(COD)3. Final discharge of organic pollutants (COD) from the anode side
도 5를 참고하면, 실시예 1에 따른 층류 흐름을 적용한 탈염 장치를 이용하는 경우, 전류밀도 10, 15, 20, 25, 30 mA/㎠에 걸쳐 유기 오염물질은 각각 78%, 82.2%, 82.7%, 85.7%, 82.6%로 염소계 산화제에 의해 제거되었다(예: 표 3의 25 mA/㎠의 전류밀도에서 유입된 세척수의 COD는 840 ppm에서 애노드측 세척수의 최종 유출수에서 COD는 120ppm으로 85.7%의 유기물이 염소계 산화제에 의해 제거).Referring to FIG. 5, when using a desalination device applying a laminar flow according to Example 1, organic pollutants were removed by the chlorine-based oxidizer at current densities of 10, 15, 20, 25, and 30 mA/cm2, respectively, at rates of 78%, 82.2%, 82.7%, 85.7%, and 82.6% (e.g., at a current density of 25 mA/cm2 in Table 3, the COD of the inflowing wash water was 840 ppm, and the COD of the final effluent of the anode-side wash water was 120 ppm, indicating that 85.7% of organics were removed by the chlorine-based oxidizer).
비교예 1에 따른 난류형태의 완전혼합흐름 탈염 장치를 이용하는 경우, 전류밀도 15 mA/㎠에서는 단지 1.94%의 유기 오염물질이 제거되었을 뿐이며, 전류밀도 10, 20, 25, 30 mA/㎠ 각각에서 유기 오염물질은 제거되지 않고 오히려 증가하였다(예: 표 7의 25 mA/㎠의 전류밀도에서 애노드측 유입수의 COD는 1020ppm인 반면, 애노드측 최종 유출수에서의 COD는 1040ppm인 바, 유기 오염물질이 제거되지 않음). 이는 염소계 산화제가 발생하지 않음에 따른 결과인 것으로 추측된다.In the case of using the turbulent type complete mixing flow desalination device according to Comparative Example 1, only 1.94% of organic pollutants were removed at a current density of 15 mA/cm2, and at current densities of 10, 20, 25, and 30 mA/cm2, the organic pollutants were not removed but rather increased (e.g., at a current density of 25 mA/cm2 in Table 7, the COD of the anode-side influent was 1020 ppm, while the COD of the anode-side final effluent was 1040 ppm, indicating that the organic pollutants (not removed). This is presumed to be a result of the absence of chlorine oxidizers.
4. 애노드측에서의 암모늄 이온의 최종 유출4. Final discharge of ammonium ions from the anode side
도 6을 참고하면, 실시예 1에 따른 층류 흐름을 적용한 탈염 장치를 이용하는 경우, 전류밀도 10, 15, 20, 25, 30 mA/㎠에 걸쳐 세척수 내의 암모늄 이온은 각각 95.5%, 95%, 95.2%, 96.4%, 94.5%가 제거되었다(예: 표 3의 25 mA/㎠의 전류밀도에서 NH4 + 890ppm이 유입되어 애노드측 최종 유출수에서 32ppm이 유출된 바, 96.4%의 NH4 +가 염소계 산화제에 의해 제거). Referring to FIG. 6, when using a desalination device applying a laminar flow according to Example 1, 95.5%, 95%, 95.2%, 96.4%, and 94.5% of ammonium ions in the wash water were removed at current densities of 10, 15, 20, 25, and 30 mA/cm2, respectively (e.g., at a current density of 25 mA/cm2 in Table 3, 890 ppm of NH4 + was introduced and 32 ppm was discharged in the final effluent on the anode side; 96.4% of NH4 + was removed by a chlorine-based oxidizer).
비교예 1에 따른 난류형태의 완전혼합흐름 탈염 장치를 이용하는 경우, 전류밀도 10, 15, 20, 25, 30 mA/㎠에 걸쳐 세척수 내의 암모늄 이온은 제거되지 않고 오히려 증가한 바(예: 표 7의 25 mA/㎠의 전류밀도에서 애노드측 유입수의 COD는 1320ppm이 유입되어 애노드측 최종 유출수에서 1340ppm이 유출된 바, NH4 +는 제거되지 않음), 염소계 산화제가 발생하지 않음에 따른 결과인 것으로 추측된다.When using the turbulent type complete mixing flow desalination device according to Comparative Example 1, the ammonium ions in the wash water were not removed but rather increased at current densities of 10, 15, 20, 25, and 30 mA/cm2 (e.g., at a current density of 25 mA/cm2 in Table 7, the COD of the anode side inflow water was 1320 ppm and 1340 ppm was discharged in the final effluent from the anode side, and NH4 + was It is assumed that this is a result of the absence of generation of chlorine-based oxidizing agents (not removed).
5. 플럭스 이론값 및 실측값 차이 비교5. Comparison of differences between theoretical and measured flux values
실시예 1에 따른 층류 흐름을 적용한 탈염 장치를 이용하는 경우, 전류밀도 25 mA/㎠에서의 COD 플럭스, NH4 + 플럭스, Cl 플럭스의 이론값과 대비한 이론값과 실측값의 차이는 25%, 20%, 0.9%로 24시간의 연속운전에서도 지속적인 음이온 교환막 표면의 세척 효과로 인해 이론값에 가까운 플럭스를 나타내었다.When using a desalination device applying a laminar flow according to Example 1, the differences between the theoretical values and the measured values of COD flux, NH 4 + flux, and Cl flux at a current density of 25 mA/cm2 were 25%, 20%, and 0.9%, respectively, indicating that the flux was close to the theoretical value due to the continuous cleaning effect on the surface of the anion exchange membrane even after 24 hours of continuous operation.
반면, 비교예 1에 따른 난류형태의 완전혼합흐름 탈염 장치를 이용하는 경우, 25 mA/㎠의 전류밀도에서 COD 플럭스, NH4 + 플럭스, Cl 플럭스의 이론값과 대비한 이론값과 실측값의 차이는 100%, 100%, 100%로 24시간 연속운전에서 탈염이 불가능하였다.On the other hand, when using a turbulent completely mixed flow desalination device according to Comparative Example 1, the differences between the theoretical values and the measured values of COD flux, NH 4 + flux, and Cl flux at a current density of 25 mA/cm2 were 100%, 100%, and 100%, making desalination impossible during continuous operation for 24 hours.
Claims (21)
캐소드, 애노드 및 음이온 교환막을 포함하는 전기 분해 유닛;
상기 캐소드측에 위치하여서 상기 탈염 장치의 외부로부터 음이온 교환막으로의 방향으로 피처리수를 공급하는 피처리수 공급 유로;
상기 캐소드측에 위치하여서 상기 오염물질이 상기 음이온 교환막을 통과하여 상기 애노드측으로 전달되어 제거된 피처리수를 상기 탈염 장치의 외부로 배출하는 피처리수 배출 유로;
상기 애노드측에 위치하여서 상기 탈염 장치의 외부로부터 음이온 교환막으로의 방향으로 세척수를 공급하는 세척수 공급 유로; 및
상기 애노드측에 위치하여서 상기 캐소드측으로부터 상기 음이온 교환막을 통과하여 전달된 상기 오염물질을 포함하는 세척수를 상기 탈염 장치의 외부로 배출하는 세척수 배출 유로;
를 포함하고,
상기 세척수의 순흐름(net-flow)은 상기 세척수 공급 유로의 길이 방향을 따라서 선형의 흐름을 가지는 것인, 탈염 장치.As a desalination device for removing contaminants in treated water,
An electrolysis unit comprising a cathode, an anode and an anion exchange membrane;
A treatment water supply path located on the cathode side and supplying treatment water from the outside of the desalination device toward the anion exchange membrane;
A treated water discharge path located on the cathode side to discharge the treated water, in which the pollutants are removed by passing through the anion exchange membrane to the anode side, to the outside of the desalination device;
A washing water supply path located on the anode side and supplying washing water from the outside of the desalination device toward the anion exchange membrane; and
A washing water discharge path located on the anode side for discharging washing water containing the pollutants transmitted through the anion exchange membrane from the cathode side to the outside of the desalination device;
Including,
A desalination device, wherein the net flow of the washing water has a linear flow along the length of the washing water supply path.
상기 세척수의 순흐름은 상기 탈염 장치의 외부로부터 세척수 공급 유로를 따라 음이온 교환막으로의 방향으로의 선형의 흐름과, 상기 음이온 교환막과 평행한 방향의 흐름과, 상기 음이온 교환막으로부터 상기 세척수 배출 유로를 따라 상기 탈염 장치의 외부로의 방향으로의 선형의 흐름을 가지는 것인, 탈염 장치.In claim 1,
A desalination device, wherein the net flow of the washing water has a linear flow from the outside of the desalination device along the washing water supply path toward the anion exchange membrane, a flow in a direction parallel to the anion exchange membrane, and a linear flow from the anion exchange membrane along the washing water discharge path toward the outside of the desalination device.
상기 세척수는 레이놀드 수가 2000이하인 층류 흐름을 갖는, 탈염 장치.In claim 2,
A desalination device in which the washing water has a laminar flow having a Reynolds number of 2000 or less.
상기 세척수는 상기 피처리수를 폐수 처리 시설로부터 처리하여 공급되는 것인, 탈염 장치.In claim 1,
A desalination device in which the above-mentioned washing water is supplied by treating the above-mentioned untreated water from a wastewater treatment facility.
상기 피처리수의 순흐름은 상기 탈염 장치의 외부로부터 피처리수 공급 유로를 따라 음이온 교환막으로의 방향으로의 선형의 흐름과, 상기 음이온 교환막과 평행한 방향의 흐름과, 상기 음이온 교환막으로부터 상기 피처리수 배출 유로를 따라 상기 탈염 장치의 외부로의 방향으로의 선형의 흐름을 가지는 것인, 탈염 장치.In claim 1,
A desalination device, wherein the net flow of the above-mentioned treatment water has a linear flow from the outside of the desalination device along the treatment water supply path toward the anion exchange membrane, a flow in a direction parallel to the anion exchange membrane, and a linear flow from the anion exchange membrane along the treatment water discharge path toward the outside of the desalination device.
상기 피처리수는 레이놀드 수가 2000이하의 층류 흐름을 갖는, 탈염 장치.In claim 5,
The above-mentioned desalination device has a laminar flow with a Reynolds number of 2000 or less.
상기 애노드는 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 지르코늄(Zr) 및 붕소(B)가 도핑된 다이아몬드(BDD)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속 또는 합금 또는 이들의 산화물을 포함하는 것인, 탈염 장치.In claim 1,
A desalination device, wherein the anode comprises at least one metal or alloy or oxide thereof selected from the group consisting of iridium (Ir), ruthenium (Ru), tin (Sn), titanium (Ti), molybdenum (Mo), tantalum (Ta), zirconium (Zr), and boron (B) doped diamond (BDD).
상기 피처리수 공급 유로 및 피처리수 배출 유로를 포함하는 반복단위 및 상기 세척수 공급 유로 및 세척수 배출 유로를 포함하는 반복단위가 상기 음이온 교환막을 사이에 두고 서로 대향하여 복수 개 배치된 것인, 탈염 장치.In claim 1,
A desalination device, wherein a plurality of repeating units including the above-described treatment water supply path and the above-described treatment water discharge path and the repeating units including the above-described wash water supply path and the above-described wash water discharge path are arranged facing each other with the above-described anion exchange membrane interposed therebetween.
상기 세척수 배출 유로로부터 배출되는 세척수에 추가적인 전기 분해를 수행하기 위해 상기 전기 분해 유닛의 후단에 캐소드 및 애노드를 포함하는 반복단위가 복수 개 배치된 것인, 탈염 장치.In claim 1,
A desalination device having a plurality of repeating units including cathodes and anodes arranged at the rear end of the electrolysis unit to perform additional electrolysis on the wash water discharged from the wash water discharge path.
상기 음이온 교환막은 직포 또는 부직포의 지지체; 및
양이온성 관능기를 가지는 고분자 수지를 포함하는 스킨층;을 포함하는 것인, 탈염 장치.In claim 1,
The above anion exchange membrane is a support made of woven or non-woven fabric; and
A desalination device comprising a skin layer comprising a polymer resin having a cationic functional group.
상기 배출되는 피처리수 내 염소 이온의 농도는 상기 공급된 피처리수 내 염소 이온 농도 대비 80% 이상 감소된 것인, 탈염 장치.In claim 1,
A desalination device, wherein the concentration of chlorine ions in the discharged treated water is reduced by 80% or more compared to the concentration of chlorine ions in the supplied treated water.
상기 세척수 배출 유로로부터 배출되는 세척수 내 화학적 산소 요구량(COD)은 상기 공급된 세척수 내 화학적 산소 요구량 대비 75% 이상 감소하는 것인, 탈염 장치.In claim 1,
A desalination device, wherein the chemical oxygen demand (COD) in the wash water discharged from the wash water discharge path is reduced by 75% or more compared to the chemical oxygen demand in the supplied wash water.
상기 전기 분해 유닛을 통과하여 세척수 배출 유로로부터 배출되는 세척수 내 암모늄 이온(NH4 +)의 농도는 상기 공급된 세척수 내 암모늄 이온의 농도 대비 94%이상 감소하는 것인, 탈염 장치.In claim 1,
A desalination device, wherein the concentration of ammonium ions ( NH4 + ) in the wash water discharged from the wash water discharge path through the electrolysis unit is reduced by 94% or more compared to the concentration of ammonium ions in the supplied wash water.
상기 피처리수 및 세척수의 pH는 각각 독립적으로 5 내지 10인 것인, 탈염 장치.In claim 1,
A desalination device, wherein the pH of the treatment water and the wash water are each independently 5 to 10.
상기 피처리수를 피처리수 공급 유로를 통해 전기 분해 유닛의 캐소드를 거쳐서 음이온 교환막으로의 방향으로 공급하는 피처리수의 공급 단계;
상기 피처리수 내의 오염물질을 상기 음이온 교환막을 통과시켜서 애노드측으로 전달하여 제거하는 오염물질의 전달 단계;
상기 오염물질이 제거된 피처리수를 상기 음이온 교환막으로부터 상기 캐소드를 거쳐서 피처리수 배출 유로를 통해 외부로 배출하는 피처리수의 배출 단계;
세척수를 세척수 공급 유로를 통해 상기 음이온 교환막으로의 방향으로 공급하는 세척수의 공급 단계; 및
상기 음이온 교환막을 통과하여 전달된 상기 오염물질을 포함하는 세척수를 상기 애노드를 거쳐서 세척수 배출 유로를 통해 외부로 배출하는 세척수의 배출 단계;
를 포함하고,
상기 세척수의 순흐름은 상기 세척수 공급 유로의 길이 방향을 따라서 선형의 흐름을 가지는 것인, 탈염 방법.A desalination method for removing contaminants in treated water,
A step of supplying the treated water to the cathode of the electrolysis unit through the treated water supply path and toward the anion exchange membrane;
A contaminant transfer step for removing contaminants in the above-mentioned treatment water by passing them through the anion exchange membrane to the anode side;
A treatment water discharge step in which the treatment water from which the above pollutants have been removed is discharged to the outside through the treatment water discharge path via the cathode through the anion exchange membrane;
A washing water supply step for supplying washing water in the direction of the anion exchange membrane through a washing water supply path; and
A washing water discharge step of discharging washing water containing the pollutants transmitted through the anion exchange membrane to the outside through the anode and a washing water discharge path;
Including,
A desalination method, wherein the net flow of the washing water has a linear flow along the length of the washing water supply path.
상기 세척수의 순흐름은 외부로부터 세척수 공급 유로를 따라 음이온 교환막으로의 방향으로의 선형의 흐름과, 상기 음이온 교환막과 평행한 방향의 흐름과, 상기 음이온 교환막으로부터 상기 세척수 배출 유로를 따라 외부로의 방향으로의 선형의 흐름을 가지는 것인, 탈염 방법.In claim 15,
A desalination method, wherein the net flow of the washing water has a linear flow from the outside toward the anion exchange membrane along the washing water supply path, a flow in a direction parallel to the anion exchange membrane, and a linear flow from the anion exchange membrane toward the outside along the washing water discharge path.
상기 세척수는 레이놀드 수가 2000이하인 층류 흐름을 갖는 것인, 탈염 방법.In claim 15,
A desalination method, wherein the washing water has a laminar flow having a Reynolds number of 2000 or less.
상기 피처리수 또는 세척수 유래의 오염물질 내 포함된 염소 이온이 애노드측에서 염소(Cl2), 아염소산(HClO2), 차아염소산(HClO) 및 차아염소산 이온(OCl-)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질로 전환되는 단계; 및
상기 전환된 물질이 상기 피처리수 또는 세척수 유래의 오염물질을 산화 분해시키는 단계;
를 더 포함하는 것인, 탈염 방법.In claim 15,
A step in which chlorine ions contained in the pollutants derived from the above-mentioned treatment water or wash water are converted into at least one substance selected from the group consisting of chlorine (Cl 2 ), chlorous acid (HClO 2 ), hypochlorous acid (HClO), and hypochlorite ion (OCl - ) at the anode side; and
A step in which the converted material oxidizes and decomposes pollutants derived from the treated water or wash water;
A desalination method further comprising:
상기 산화 분해 단계에서 상기 전환된 물질은 상기 오염물질을 산화 분해시킨 이후 다시 염소 이온으로 재전환되는 것인, 탈염 방법.In claim 18,
A desalination method, wherein the converted substance in the oxidation decomposition step is reconverted into chloride ions after oxidizing and decomposing the pollutant.
상기 피처리수의 순흐름은 외부로부터 피처리수 공급 유로를 따라 음이온 교환막으로의 방향으로의 선형의 흐름과, 상기 음이온 교환막과 평행한 방향의 흐름과, 상기 음이온 교환막으로부터 상기 피처리수 배출 유로를 따라 외부로의 방향으로의 선형의 흐름을 가지는 것인, 탈염 방법.In claim 15,
A desalination method, wherein the net flow of the above-mentioned treatment water has a linear flow from the outside in the direction of the anion exchange membrane along the treatment water supply path, a flow in a direction parallel to the anion exchange membrane, and a linear flow from the anion exchange membrane in the direction of the outside along the treatment water discharge path.
상기 피처리수는 레이놀드 수가 2000이하인 층류 흐름을 갖는 것인, 탈염 방법.In claim 20,
A desalination method, wherein the above-mentioned treatment water has a laminar flow having a Reynolds number of 2000 or less.
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Legal Events
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PA0109 | Patent application |
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Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20240627 Patent event code: PE09021S01D |
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PE0701 | Decision of registration |
Patent event code: PE07011S01D Comment text: Decision to Grant Registration Patent event date: 20250124 |
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PG1601 | Publication of registration |