KR20150059202A - Permeable hybrid electrode for capacitive deionization using activated carbon fibers - Google Patents
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Abstract
본 발명은 덮개와, 여과부, 절연체 및 하이브리드(Hybrid) 활성탄소섬유전극을 적층한 전극모듈로 전극에 외부의 직류 전원공급하면 전극 사이의 정전용량으로 인한 정전기력에 의하여 수중의 이온이 전극표면에 흡착되었다가 전원 공급을 중단하면 흡착력이 사라져 전극 표면에 부착되었던 이온들이 떨어져 나와 역 세척수와 함께 배출되는 CDI용 전극 모듈에 관한 것으로서 이온의 흡/탈착의 효율을 높이기 위하여 탄소섬유의 활성화로 유효 흡착면적을 증가시키고, 흡착력을 높이기 위하여 그리고 다가의 이온들도 제거 용이하도록 전극표면에 Doping을 하여 하이브리드(Hybrid)전극으로 구성하고 전극의 각 부위에서 체적저항을 낮추어 전극의 전압 강하로 인한 흡착력 저하를 방지하였다, 이온의 흡/탈착 반응시간을 줄이기 위하여 전극의 간격을 기계적 압착을 통한 전극의 정전기력을 증가시켰다가 탈 이온 시에는 이완시켜 전극 간격을 넓힘으로써 잔류 정전기를 최소화하였고 또한 전극모듈의 모든 구성품의 투수성을 가져 짧은 시간 내에 많은 수중이온들이 전극과의 접촉하도록 구성된 CDI용 하이브리드(Hybrid) 활성탄소섬유전극 모듈의 제조에 관한 것이다. The present invention relates to an electrode module in which a cover, a filtering portion, an insulator, and a hybrid activated carbon fiber electrode are stacked, and when an external DC power is supplied to the electrode, The present invention relates to an electrode module for a CDI in which ions adhered to the surface of an electrode are separated and discharged together with backwash water when the adsorption is stopped and the power supply is stopped. In order to increase the efficiency of adsorption / desorption of ions, It is composed of a hybrid electrode by doping on the surface of the electrode to increase the area, increase the adsorption power and to easily remove the polyvalent ions. By decreasing the volume resistance at each part of the electrode, In order to reduce the absorption / desorption time of ions, The electrostatic force of the electrode is increased by the compression, and the static electricity is minimized by widening the interval of the electrode by de-ionization. Also, the permeability of all the components of the electrode module is minimized, The present invention relates to the production of a hybrid activated carbon fiber electrode module for CDI.
Description
본 발명은 전극극성에 따른 코팅된 투수성 하이브리드(Hybrid) 활성탄소섬유를 이용한 CDI용 전극에 관한 것으로서, 수중이온 흡착시 전극을 균일하게 압착시켜 전극의 간격을 좁혀전극의 정전용량을 증가시키고 탈 이온시(재생시)는 전극간격을 넓혀 탈 이온을 촉진시키는 고탄성의 섬유직조 덮개와, 활성탄소섬유전극을 둘러쌓아 전극간의 단락을 방지하고 전극의 체적저항을 감소시키기 위한 투수성 기공을 가지는 Graphite Foil, 코팅된 활성탄소섬유전극과 전극간의 절연을 위한 Spacer를 병렬로 적층하여 이 전극에 외부 직류 전원을 공급함으로써 발생되는 정전기력에 의하여 활성탄소섬유의 표면에 흡착시켰다가 전극의 전원공급을 차단하거나 단락시켜 정전기에 의한 흡착력을 제거한 뒤 역 세척수를 공급하여 이탈된 고농도의 이온들을 외부로 배출하기 위한 투수성의 코팅된 투수성 하이브리드(Hybrid) 활성탄소섬유를 이용한 CDI용 전극에 관한 것이다.
The present invention relates to a CDI electrode using coated water-permeable hybrid activated carbon fibers according to electrode polarity, and more particularly, to an electrode for CDI using a coated water- In the case of ionization (at the time of regeneration), a highly elastic fiber weaving lid promoting deionization by widening the electrode interval and a graphite having permeable pores for preventing shorting between the electrodes surrounded by the activated carbon fiber electrode and reducing the volume resistance of the electrode Foil, a coated activated carbon fiber electrode and a spacer for insulation between the electrodes are laminated in parallel, and an external DC power is supplied to the electrode to adsorb it on the surface of the activated carbon fiber by the electrostatic force generated, After removing the adsorption force due to static electricity, backwash water is supplied to discharge the separated high concentration ions to the outside It relates to electrodes for CDI using the pitcher castle-coated permeability hybrid (Hybrid) activated carbon fibers for group.
일반적으로 해수를 포함한 모든 물에는 비수용성의 현탁 물질과 수용성 이온들이 포함되어 있다, 물자체는 물 분자의 비대칭 분자구조로 인하여 물만 존재할 경우는 자유로운 배열로 극성을 갖지 않으나, 수중의 이온이 존재할 경우는 이온의 극성에 따라 물 분자들이 이온을 중심으로 방사형을 배열되어 둘러쌓게 되며 이때 극성을 가지게 되며 이를 수화이온이라 한다. 전극 또한 극성을 가지므로 물 분자로 둘러싸여 극성을 띤 수화성 계면을 형성하여 이 극성에 따라 양이온은 외부전극의 음극에 음이온은 외부전극의 양극에 흡착하게 된다. 비수용성의 미세 현탁 물질도 음극을 띠게 되어 외부전극의 양극에 흡착된다. In general, all water, including seawater, contains water-insoluble suspended matter and water-soluble ions. Due to the asymmetric molecular structure of water molecules, water alone does not have polarity when water is present. According to the polarity of the ions, water molecules are arranged radially around the ion and surrounded by polarity, which is called hydration ion. The electrode also has a polarity so that it is surrounded by water molecules to form a polarizing hydratable interface, so that the anion is adsorbed to the cathode of the external electrode and the anion is adsorbed to the anode of the external electrode according to this polarity. The water-insoluble microsuspension material is also adsorbed on the anode of the external electrode.
종래의 수중이온을 제거하는 장치로써 역 삼투압막이나 Nano막을 사용하여As a conventional apparatus for removing water ions, a reverse osmosis membrane or a nano membrane is used
제거하는 방식이 주로 사용되나 이는 이온의 크기보다 적은 고정된 여과기공으로 여과하는 방식이므로 이로 인한 투수율이 적어서 고압으로 운용되어 소요동력 소모가 크며 고 압력하의 미세기공으로 인한 기공의 파괴(Fouling), Scaling, 그리고 이물질의 끼임(Plugging)이 발생하여 이의 수명이 길지 않은 단점이 있다.
Scouring, Scaling, etc., due to the micro-ball under high pressure, because of the low filtration rate due to the filtration method, which is less than the size of the ion, There is a disadvantage in that the lifetime of the foreign matter is not long due to plugging of the foreign matter.
또한 상기의 단점을 극복하고자 기공의 분포가 Nano급의 (Micro-Pore) 기포성 탄소(Carbon Aerogel)를 전극소재로 한 CDI가 개발되었으나 이온의 유효흡착 부분은 전극의 표면적에 국한되므로 mm단위급 전극의 두께에 비하여 유효흡착면적이 전체기공면적에 비하여 대단히 낮고 도리어 전극 내부의 폐쇄기공이 상대적으로 대단히 크게 되어 체적저항이 커져 전극에 공급되는 전위가 낮아지게 되고 이온의 흡착량도 이에 따라 저하하게 된다.
In order to overcome the disadvantages described above, CDI having a pore distribution of Nano-grade (Micro-Pore) carbon aerogel was developed. However, since the effective adsorption portion of the ions is limited to the surface area of the electrode, The effective adsorption area is much lower than the total pore area, and the closed pores inside the electrode are relatively much larger than the total pore area, so that the volume resistance becomes large, the potential supplied to the electrode becomes low, and the adsorption amount of the ions also decreases accordingly .
또한 전극 내부의 폐쇄기공으로 인한 비중이 활성탄소섬유에 비해 1/3로낮아 전극 무게당 비표면적(BET)은 증가하는 것으로 나타나나 전극의 단위 부피당 BET는 그만큼 감소하게 된다.
In addition, the specific surface area (BET) per electrode weight is increased by the fact that the specific pore size due to the closed pores inside the electrode is 1/3 lower than that of the activated carbon fiber, but the BET per unit volume of the electrode is reduced accordingly.
더욱이 전극의 표면의 개구기공도 개구부가 작아 흡착된 이온이 탈 이온 과정에서 전극으로부터 빠져나오기가 어렵고 이 전극 자체가 불투수성 전극이므로 적은 전극간격 사이로 처리될 원수가 확산 흘러 들어가야 하므로 흡착 시에는 원수의 이온 공핍층이 발생하여 이온 확산에 의존하는 부위가 발생하게 되므로 흡착과 탈 이온을 위한 재생시간이 길어져 전체 이온제거효율이 떨어지게 된다. 따라서 상기 Carbon Aerogel을 전극으로 사용하는 CDI는 Pilot Plant수준에 그치고 있다.
Further, since the opening porosity of the surface of the electrode is small, it is difficult for the adsorbed ions to escape from the electrode during the deionization process, and since the electrode itself is an impermeable electrode, the raw water to be treated should be diffused between the electrode intervals, A depletion layer is generated and a site that depends on ion diffusion is generated. Therefore, the regeneration time for adsorption and deionization is prolonged, and the total ion removal efficiency is lowered. Therefore, the CDI using the carbon aerogels as electrodes is only at the pilot plant level.
본 발명은 전극 모듈의 적층된 전극부에 압축을 가해 흡착 시 전극의 간격을 좁혀 정전기력을 증가시키고 탈 이온 시(재생 시) 이완시켜 잔류 정전기력을 저하시킴과 아울러 고 유속의(High Flow Rate) 역 세척수를 보장할 수 있는 고 투수성과 고탄성의 섬유직물의 덮개와 전극 압축부, 활성탄소섬유전극의 특성상 전극표면상태가 고르지 못하여 발생될 수 있는 전극간의 단락을 막고 전극의 체적저항을 저하시키기 위하여 전극의 양면을 감싸는 다공성 신축성 탄소막(Flexible graphite foil)과, 이온의 안정된 흡착과 칼슘, 마그네슘등의 다가이온을 제거하기 위한 전극의 Zeta-Potential을 높이기 위해 양극에는 SiO₂로 음극에는 Al₂O₃로 Doping된 투수성이 양호하며 활성탄소 섬유사의 흡착기공이 섬유사 표면에 집중되어 개구부가 큰 meso-pore의 분포가 많은 반면 섬유사 내부의 폐쇄 기공의 분포가 극히 적어 비체적 저항이 낮아 전극의 전위강하가 적고 이온의 흡/탈착 주기가 빠른 활성탄소섬유전극 , 각 전극의 절연을 위한 직조섬유로 이루어진 절연체를 양극과 음극을 교대로 병렬 적층시켜 각 전극에 물의 전기 분해 전압(3.5V이하의 전원을 공급함으로써 전극 사이에 발생되는 정전기력에 의한 수중 이온의 흡착시켰다가 전원공급을 끊거나 단락시켜 역 세척 수와 함께 고농도의 이온을 배출하여 흡/탈착 주기가 빨라 전체의 수중이온 제거량을 증가시키기 위한 투수성 하이브리드(Hybrid) 활성탄소섬유를 이용한 CDI용 전극을 제공하는 것이다.
The present invention relates to an electrode module for compressing a stacked electrode portion of an electrode module to narrow the gap between electrodes to increase the electrostatic force upon adsorption and to relax the residual electrostatic force at the time of deionization (regeneration), and at the same time, In order to prevent the short-circuit between the electrode which can be generated due to the unevenness of the electrode surface condition due to the nature of the electrode compression part and the activated carbon fiber electrode, the cover of the high permeability and high- (Flexible graphite foil) which surrounds both sides of the electrode, a SiO2 for the positive electrode, and a porous material such as Al2O3 doped to the negative electrode to increase the Zeta-Potential of the electrode for removing the stable adsorption of ions and the polyvalent ions such as calcium and magnesium And the adsorption pores of the activated carbon fiber yarn are concentrated on the surface of the fiber yarn, and meso-pore having a large opening is large, The activated carbon fiber electrode has a low specific volume resistance and a low potential drop of the electrode due to a very small distribution of the closed pores inside the yarn and a fast ion desorption / desorption cycle. The insulator composed of the woven fiber for insulation of each electrode is used as the anode and the cathode The electrolytic voltage of water (3.5 V or less) is supplied to each electrode by alternately laminating them in parallel, so that the ions are adsorbed by the electrostatic force generated between the electrodes, and the power supply is cut off or short-circuited, And to provide an electrode for CDI using permeable hybrid activated carbon fibers for increasing the total removal amount of ions in the water due to rapid absorption / desorption cycles.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
The technical objects to be achieved by the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 투수성 하이브리드(Hybrid) 활성탄소섬유를 이용한 CDI용 전극은, 양극과 음극사이를 절연하기 위한 절연부와 직조된 Rayon계 직물을 인산염을 함침시켜 290 ~ 310℃의 비교적 낮은 온도에서 탄화시킨 후 이를 사용될 전극의 극성에 따라 +'전극은 SiO₂용액에 '-'전극에는 Al₂O3 용액에 함침한 후, 상기 함침된 탄화직물원단은 소성로에 투입하여 850 ~ 950℃의 온도에서 상기 소성로에 스팀을 주입하여 하이브리드(Hybrid) 활성탄소섬유를 제조할 수 있다. 상기 하이브리드(Hybrid) 활성탄소섬유의 양면은 다수의 기공을 가진 신축성 탄소막(Flexible graphite foil) 2장에 의하여 덮여져서 단위 전극부를 구성하며 절연부의 한 면 위에 길이 방향으로 치우쳐서 배열하되 음과 양전극의 종류에 따라 치우치는 방향이 반대로 치우치도록 배열한 후 이를 음극과 양극에 따라 교대로 적층한다. 단위 전극부와 절연부와의 결합은 한 쪽은 전극을 관통하는 전극 결합 핀에 의해서 그리고 다른 한쪽은 Epoxy에 의한 접착으로 절연부와 고정된다.
In order to achieve the above object, the electrode for CDI using the water-permeable hybrid activated carbon fiber of the present invention is characterized in that an insulating part for insulating between the positive electrode and the negative electrode is woven with a Rayon- The electrode is immersed in a
이렇게 적층된 전극 다발의 최상층의 단위 전극부는 신축성 탄소막(Flexible graphite foil)이 노출되므로 이를 다시 절연부로 덮은 다음 이 위에 고투수성과 고탄성의 섬유직물 덮개를 덮음으로써 다수의 단위 전극들이 적층된 전극 모듈을 구성하게 된다.
The unit electrode portion of the uppermost layer of the stacked electrode bundle is covered with an insulating portion to expose the flexible graphite foil and then covered with a high permeability and high elasticity fiber fabric cover to form an electrode module in which a plurality of unit electrodes are stacked. Respectively.
상기 적층된 전극모듈 중 동일한 극성의 전극들은 같은 방향으로 치우쳐서 병렬로 적층된 상태로 전극결합 핀에 의하여 전기적으로 병렬로 연결되며 이를 통하여 외부의 직류전원과 연결된다. 상기 전극모듈의 기계적 결합은 전극이 제외된 절연부와 섬유직물 덮개를 관통하는 고정 핀에 의하여 전극모듈 고정부에 의해 결합하게 된다.
The electrodes of the same polarity among the stacked electrode modules are biased in the same direction and are stacked in parallel, and are electrically connected in parallel by the electrode coupling pin, and are connected to an external DC power source. The mechanical coupling of the electrode module is made by the electrode module fixing part by the insulating part excluding the electrode and the fixing pin passing through the fiber fabric covering.
상기 전극모듈 고정부는 CDI본체의 벽면에 고정되며 상기 전극모듈은 표면에 다수의 굴곡이 형성된 여과부의 일면에 접촉되며, 상기 여과부의 굴곡된 표면에 따라 상기 전극모듈의 전극 부위를 눌러 상기 여과부와 상기 전극모듈에 밀착되도록 하는 한편 상기 전극모듈의 전극들을 기계적으로 압착하여 전극의 간격을 줄일 수 있는 전극 압축부를 포함한다.
Wherein the electrode module fixing part is fixed to a wall surface of the CDI main body and the electrode module is in contact with one surface of the filter part having many bends on the surface thereof and pressing the electrode part of the electrode module along the curved surface of the filtering part, And an electrode compression unit that is closely attached to the electrode module and mechanically compresses electrodes of the electrode module to reduce an interval between the electrodes.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전극에 Doping시켜 Zeta Potential을 높임으로써 전극의 안정된 이온 흡착력을 제고하고 이온 제거가 어려운 Ca/Mg등의 다가 이온을 제거할 수 있으며 이는 지하수의 이온 제거에 적용성 확대되며, As described above, the present invention improves the stable ion adsorption capability of the electrode by increasing the Zeta potential by doping the electrode, and it is possible to remove the multivalent ions such as Ca / Mg which is difficult to remove ions. And,
활성탄소와 다공성의 신축성 탄소막(Flexible graphite foil)로 이루어진 단위 전극부는 이온 흡착기공의 유효 표면적이 전체적으로는 Carbon Aerogel보다는 적어 단위전극 무게당(u-mol/g)이온 흡착량이 1/3 수준이나 비중이 이의 3배 크므로 전극의 부피를 기준으로 할 때 상쇄되는 점, The effective surface area of ion-adsorbed pores is less than that of carbon aerogels, and the amount of adsorbed ions (u-mol / g) per unit electrode weight is 1/3, but the specific surface area of the unit electrode part made of a porous elastic carbon film (flexible graphite foil) Which is three times larger than that of the electrode,
반면에 내부의 폐쇄기공이 적어 제적저항이 낮아서 전극에서의 전압강하가 적은 점, On the other hand, since the internal resistance is low due to a small number of closed pores, the voltage drop at the electrode is small,
이온 흡/탈착에 유리한 Meso pore가 많아 이온의 이동이 자유로우며 전극간격을 기계적으로 조정하므로 흡착시는 정전기 용량을 증가시키고 재생시는 잔류 용량을 감소시키는 점, The meso pores are favorable for ion adsorption / desorption, so ion movement is freely and the electrode interval is mechanically adjusted. Therefore, the adsorption increases the electrostatic capacity and decreases the residual capacity,
전극 모듈의 투수성으로 이온 흡착 시는 이온 공핍층이 없어서 이온 확산을 기다릴 필요가 없이 전체 전극 표면적에 고르게 흡착되어 전극 표면적의 이용효율의 제고되고 신속한 재생이 되는 점,In the ion-adsorbing process of the electrode module, there is no ion depletion layer, so there is no need to wait for ion diffusion, and it is adsorbed uniformly on the entire surface area of the electrode,
상기 특성들로 인하여 짧은 흡/탈착 주기가 이루어져 전체적인 이온제거 효율을 향상시키게 된다. 이는 곧 소모동력의 저감을 뜻한다.
Due to the above characteristics, short absorption / desorption cycles are performed to improve the overall ion removal efficiency. This means the reduction of consumption power.
30,000ppm 이상의 고농도인 해수를 담수화 시키는 것부터 1,000ppm단위의 하수 오폐수 처리를 위한 정밀여과기로서의 Membrane을 대신할 수 있는 현재는최고가 아닌 최적의 기술이나 향후의 연구나 소재개발에 따라 최고의 기술로 자리 매김할 수도 있는 점.
It is possible to replace the membrane filter as a precision filter for the treatment of wastewater wastewater of 1,000ppm unit from the desalination of seawater having a high concentration of 30,000ppm or more. The point that might be.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드(Hybrid) 활성탄소섬유를 이용한 단위 전극을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 실시예에 의한 투수성 하이브리드(Hybrid) 활성탄소섬유를 이용한 CDI용 전극을 형상으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 활성탄소 전극의 Doping물질에 따른 Zeta Potential도표.
도 4는 본 발명에 따른 활성탄소의 흡착기공별 기능 도표.
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드(Hybrid) 활성탄소 전극제조를 위한 공정도BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view showing a unit electrode using a hybrid activated carbon fiber according to an embodiment of the present invention. FIG.
Fig. 2 is a view showing electrodes for CDI using a water-permeable hybrid activated carbon fiber according to an embodiment of the present invention. Fig.
3 is a Zeta Potential chart according to the doping material of the activated carbon electrode according to the present invention.
4 is a functional diagram of adsorption pores of activated carbon according to the present invention.
5 is a process chart for manufacturing a hybrid activated carbon electrode according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference symbols whenever possible. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드(Hybrid) 활성탄소섬유를 이용한 단위 전극을 나타낸 도면으로서, 하이브리드(Hybrid) 활성탄소섬유전극(2)을 중심으로 각기 2매의 다공성 신축성 탄소막(Flexible graphite foil)(1)로 전극 양면을 덮어 단위 전극부를 구성하며 절연부(3)의 한 면 위에 길이 방향으로 치우쳐서 배열하되 음과 양전극의 종류에 따라 치우치는 방향이 반대로 치우치도록 배열한 후 이를 음극과 양극 교대로 적층한다. 단위 전극부와 절연부와의 결합은 한 쪽은 전극을 관통하는 전극 결합 핀에 의해서 그리고 다른 한쪽은 에폭시(Epoxy)에 의한 접착으로 절연부와 고정된다.
FIG. 1 is a view showing a unit electrode using a hybrid activated carbon fiber according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, two flexible porous graphite carbon films foil (1) to form a unit electrode part and arranged on the one side of the insulating part (3) so as to be shifted in the longitudinal direction. The arrangement direction is shifted according to the type of the positive and negative electrodes, The layers are alternately laminated. The connection between the unit electrode portion and the insulation portion is fixed to the insulation portion by an electrode coupling pin passing through the electrode on one side and by an epoxy bonding on the other side.
도 2는 본 발명에 실시예에 의한 투수성 하이브리드(Hybrid) 활성탄소섬유를 이용한 CDI용 전극을 형상으로 나타낸 도면으로서. 적층된 전극 다발의 최상층의 단위 전극부는 신축성 탄소막(Flexible graphite foil)(2)이 노출되므로 이를 다시 절연부(3)로 덮은 다음 이 위에 고투수성과 고탄성의 섬유직물 덮개(11)를 덮음으로써 다수의 단위 전극들이 적층된다.
Fig. 2 is a view showing electrodes for CDI using water-permeable hybrid activated carbon fibers according to an embodiment of the present invention. Fig. The unit electrode portion of the uppermost layer of the laminated electrode bundle is covered with the insulating
상기 적층된 전극모듈 중 동일한 극성의 전극들은 같은 방향으로 치우쳐서 병렬로 적층된 상태로 전극결합 핀(15)에 의하여 전기적으로 병렬로 연결되며 이를 통하여 외부의 직류전원과 연결된다. 상기 전극모듈의 기계적 결합은 전극이 제외된 절연부와 섬유직물 덮개를 관통하는 고정 핀(18)에 의하여 전극모듈 고정부(13)에 의해 결합하게 된다. 즉, 상기 적층된 전극들은 적층되는 순서대로 절연체(3), 양전극, 절연체(3), 음전극순으로 다층으로 적층되고 단위전극들이 절연체상에 길이 방향의 한쪽으로 치우쳐져 있으므로 적층된 전극의 양 끝단은 전극에 따라 한쪽에 치우쳐 있게 되므로 전극의 양쪽 끝단을 금속성인 전극결합 핀(15)으로 관통시키면 동일한 전극끼리 병렬로 전기적으로 결합하게 된다.
The electrodes of the same polarity among the stacked electrode modules are biased in the same direction and are electrically connected in parallel by the
상기 전극모듈 고정부(13)는 CDI본체의 벽면에 고정되며 상기 전극모듈은 표면에 다수의 굴곡이 형성된 여과부(16)의 일면에 접촉되며, 상기 여과부의 굴곡된 표면에 따라 상기 전극모듈의 전극 부위를 눌러 상기 여과부(16)와 상기 전극모듈(14)에 밀착되도록 하는 한편 상기 전극모듈의 전극들을 기계적으로 압착하여 전극의 간격을 줄일 수 있는 전극 압축부(10)를 포함한다. The electrode
..
도3은 본 발명의 실시예에 의한 활성탄소 전극의 Doping물질에 따른 Zeta Potential을 나타낸 도표이다.
3 is a graph showing the Zeta potential according to the doping material of the activated carbon electrode according to the embodiment of the present invention.
도4는 본 발명의 활성탄소의 흡착기공 크기별 기능을 나타낸 도표이며,
4 is a graph showing the function of the activated carbon according to the adsorption pore size of the present invention,
아래 표 1은 도4를 근거로 해서 기공의 종류별 크기별 기능에 대하여 정리한 도표로서 수중이온 제거를 위해서는 Meso-Pore의 비표면적(BET)분포가 큰 것이 유리하다.
Table 1 below is a table summarizing the functions of each type according to the type of pore based on FIG. 4, and it is advantageous that the specific surface area (BET) distribution of Meso-Pore is large for underwater ion removal.
도 5는 하이브리드(Hybrid) 활성탄소섬유전극을 제조하는 공정을 나타낸 그림이며 상기 하이브리드(Hybrid) 활성탄소섬유전극(1)은 레이온(rayon)계의 직물 원단을 인산염에 함침 시킨 뒤 290 ~ 310℃의 온도로 하이브리드(Hybrid) 활성탄소섬유전극 탄화시키고, 탄화된 직물 원단을 전극의 극성에 따라 '+' 전극은 SiO3 용액에 , '-'전극에는 AlO3 용액에 함침하여, 소성로에 투입하여 850 ~ 950℃의 온도에서 소성로에 스팀을 주입하여 활성 소성함으로써 제조하게 된다.5 shows a process for producing a hybrid activated carbon fiber electrode. In the hybrid activated carbon fiber electrode 1, a rayon fabric is impregnated with phosphate, , The carbonized fabric was impregnated with a solution of an activated carbon fiber electrode in a SiO 2 solution and a solution of a carbon electrode in an AlO 3 solution according to the polarity of the electrode, And steam is injected into the firing furnace at a temperature of 850 to 950 ° C for activation firing.
이렇게 구성된 본 발명의 전극 모듈(14)은 CID 본체의 벽체에 처리할 용량에 따라 복수로 고정되고 전극 압축부(10)를 통하여 전극모듈을 압축하여 전극간의 간격을 좁혀서 전극의 정전용량을 크게한 후 CID 본체로 이온을 제거할 원수를 공급한 다음 긱 전극 모듈의 전극 결합 핀(15)에 직류전원을 인가하면, 전극표면에 이온들이 정전기력에 의해 흡착되어 수중의 전기도전율이 하강하기 시작하며 시간이 경과후 전기도전율의 감소가 정체되면 전원 공급을 차단하거나 차단 후 전극을 단락한 다음 압축부(10)를 이완시켜 전극의 잔류용량을 줄이면서 역 세척 수를 여과부(16)를 통하여 흡착시 흐름과 반대방향으로 공급하여 이탈된 이온이 외부로 배출되도록 한다. 흡착 초기 원수의 전기도전율과 동일해지면 다시 흡착공정으로 되돌아가 반복하게 된다. The
이와 같이 구성된 본 발명은 비 투수성 전극과 같이 이온의 흡/탈착을 이온확산에 의존하지 않고 전극의 간격을 넓힘으로써 잔류 정전기를 감소시킴과 동시에 원수 및 역 세척 수를 전극에 직접 흐르게 하여 흡/탈착 시간을 감소시켜 시간당 이온 제거량을 극적으로 증가시킬 수 있는 이점이 있다. 물질을 세밀하게 걸러낼 수 있고, 역 세척시 덮개로 인해 걸러진 이물질이 여과포에 부착되지 않고 쉽게 이탈될 수 있는 이점이 있다.
According to the present invention constructed as described above, it is possible to reduce the residual static electricity by widening the intervals of the electrodes without depending on the ion diffusion, as in the non-permeable electrode, and to flow the raw water and the backwash water directly to the electrodes, There is an advantage that the desorption time can be reduced and the amount of ion removal per hour can be dramatically increased. The material can be finely filtered and the foreign matters filtered by the lid during backwashing can be easily detached without being attached to the filter cloth.
또한, 이 투수성 하이브리드(Hybrid) 활성탄소 전극은 원수의 전기전도율에 비례하여 소모 전류가 결정되고 직류 3.5V이하의 저압으로 공급되므로 Membrane에 비해 낮은 동력소모로 해수담수화를 포함하여 오폐수의 정밀 여과까지 적용범위가 넓은 이점이 있으며 개구부가 큰 Meso-pore의 흡착기공이 전극의 표면에 집중되어 전극의 기공 내에 잔류하여 축적되는 이온의 양이 극히 적어서 흡/탈착 반응이 빠르며 Doping된 촉매 물질에 의하여 화학적 처리이외에 제거하기가 용이하지 않은 다가의 Ca/Mg이온을 요이하게 제거할 수 있으므로 지하수 및 광산폐수에도 적용할 수 있는 이점이 있다.
In addition, the permeable hybrid activated carbon electrode has a consumption current determined in proportion to the electric conductivity of the raw water and is supplied at a low pressure of 3.5 V or less in direct current. Therefore, the power consumption is lower than that of the membrane, and the seawater desalination, , The adsorption pores of meso-pores with large openings are concentrated on the surface of the electrode and remain in the pores of the electrode, so that the amount of accumulated ions is extremely small, so that the adsorption / desorption reaction is fast. By the doped catalyst material It is possible to remove Ca / Mg ion of polyvalent metal which is not easy to remove in addition to chemical treatment, so that it can be applied to ground water and mine waste water.
상기와 같은 투수성 하이브리드(Hybrid) 활성탄소섬유를 이용한 CDI용 전극은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
The electrode for CDI using the above-described water-permeable hybrid activated carbon fiber is not limited to the configuration and the operation mode of the embodiments described above. The embodiments may be configured so that all or some of the embodiments may be selectively combined so that various modifications may be made.
1 : 신축성 탄소막(Flexible graphite foil)
2 : 하이브리드(Hybrid) 활성탄소섬유전극
3 : 직조섬유의 절연부
1-1 : 반대 극성의 신축성 탄소막(Flexible graphite foil)
2-1 : 반대 극성의 하이브리드(Hybrid) 활성탄소섬유전극
3-1 : 반대 극성의 직조섬유의 절연부
10 : 전극 압축부
11 : 덮개부
12 : 단위 전극부(하이브리드(Hybrid) 활성 탄소섬유 전극 + 신축성 탄소막(Flexible graphite foil)
13 : 전극 모듈 고정부
14 : 전극 모듈
15 : 전극 결합 핀
16 : 여과부
17 : 절연부
18 : 고정 핀1: Flexible graphite foil
2: Hybrid activated carbon fiber electrode
3: Insulating portion of weaving fiber
1-1: Flexible graphite foil of opposite polarity
2-1: Hybrid activated carbon fiber electrode of opposite polarity
3-1: Insulation of weft fibers of opposite polarity
10: electrode compression section
11:
12: a unit electrode portion (hybrid activated carbon fiber electrode + flexible graphite foil)
13: electrode module fixing portion
14: Electrode module
15: Electrode coupling pin
16:
17:
18: Fixing pin
Claims (4)
이를 절연하기 위한 직조 섬유의 절연부와 결합하여 동일한 극성의 전극들은 같은 방향으로 치우쳐서 병렬로 적층된 상태로 전극결합 핀에 의하여 관통됨으로써 동일 전극별로 전기적 결합이 이루어진 적층된 전극 구조로서 상기 적층된 전극의 상부 표면에 고투수성과 고탄성의 섬유 직조형 덮개를 가진 본체부;
단위 전극이 없는 절연부의 양쪽 끝단을 고정핀으로 관통시켜 전극모듈 고정부에 결합된 전극모듈;
상기 전극모듈의 표면이 다수의 굴곡 단면이 형성된 여과부:
상기의 여과부 일면에 접촉되며, 상기 여과부의 굴곡된 표면에 따라 상기 전극모듈의 전극 부위를 눌러 상기 여과부와 상기 전극모듈에 밀착되도록 하는 한편 상기 전극모듈의 전극들을 기계적으로 압착하여 전극의 간격을 줄일 수 있는 전극 압축부; 를 포함하는 투수성 하이브리드(Hybrid) 활성탄소섬유를 이용한 CDI용 전극.
A unit electrode portion having a porous elastic carbon film (a flexible graphite foil d) covering both sides of a hybrid (hybrid) activated carbon fiber electrode;
And electrodes of the same polarity are coupled to the insulating portion of the woven fiber to insulate the same, and the electrodes of the same polarity are biased in the same direction and are stacked in parallel with each other, A body portion having a high permeability and a high-elasticity fiber-reinforced cover on its upper surface;
An electrode module connected to the electrode module fixing part by inserting both ends of the insulation part having no unit electrode with a fixing pin;
Wherein the surface of the electrode module has a plurality of curved cross-
And the electrode part of the electrode module is pressed against the filter part and the electrode module according to the bent surface of the filtration part, An electrode compression unit capable of reducing the number of electrodes; And an electrode for CDI using a water-permeable hybrid activated carbon fiber.
상기 활성탄소섬유전극은 단위전극이 절연체와 결합하여 적층된 상태에서 극성에 따라 번갈아 가며 '+'전원과 '-'전원이 상기 전극결합 핀을 통해 전극별로 그리고 병렬로 전기적 결합이 되는 투수성 하이브리드(Hybrid) 활성탄소섬유를 이용한 CDI용 전극.
The method according to claim 1,
The activated carbon fiber electrode has a structure in which a unit electrode is alternately stacked in a state of being laminated with an insulator, and a " + " power source and a negative power source are electrically coupled in parallel to each other through the electrode coupling pin, (Electrode for CDI using Activated Carbon Fiber).
상기 압착부는 상기 전극모듈의 외형과 대응되도록 전면에 다수의 굴곡 단면을 가진 상기 여과부의 굴곡을 따라 형성되는 홈에 삽입되어 상기 전극모듈을 눌러 밀착시키는 상기 다수의 봉 형상인 투수성 하이브리드(Hybrid) 활성탄소섬유를 이용한 CDI용 전극.
The method according to claim 1,
The pressure bonding portion may include a plurality of rod-like permeable hybrids inserted into grooves formed along the bending of the filter portion having a plurality of curved cross-sections on the front surface so as to correspond to the outer shape of the electrode module, Electrode for CDI using activated carbon fiber.
상기 하이브리드 활성탄소섬유전극은 레이온(rayon)계의 직물 원단을 인산염에 함침시킨 뒤 290 ~ 310℃의 온도로 탄화시키고, 상기 탄화된 직물 원단을 전극의 극성에 따라 '+'전원이 연결되는 전극은 SiO3 용액에 함침하고, '-'전원이 연결되는 전극에는 Al₂O3 용액에 함침하고, 상기 함침된 탄소섬유직물은 소성로에 투입하여 850 ~ 950℃의 온도인 상황에서 상기 소성로에 스팀을 주입하여 활성 소성하여 제조하는 투수성 하이브리드(Hybrid) 활성탄소섬유를 이용한 CDI용 전극.The method according to claim 1,
The hybrid activated carbon fiber electrode may be fabricated by impregnating a rayon fabric with phosphoric acid and then carbonizing the fabric at a temperature of 290 to 310 ° C. The carbonized cloth fabric may be applied to an electrode It is SiO 3 Impregnated with the solution and "-" electrodes as power is connected, and impregnated into the Al₂O 3 solution, the impregnated carbon fiber fabric is active fired to put into a firing furnace and injecting steam to the sintering furnace at a temperature of 850 ~ 950 ℃ conditions The present invention relates to an electrode for CDI using a water-permeable hybrid activated carbon fiber.
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