KR102517536B1

KR102517536B1 - 탈염 장치

Info

Publication number: KR102517536B1
Application number: KR1020200151435A
Authority: KR
Inventors: 김춘수; 김나영; 이윤호; 전성범
Original assignee: 공주대학교 산학협력단; 광주과학기술원
Priority date: 2020-11-13
Filing date: 2020-11-13
Publication date: 2023-04-04
Anticipated expiration: 2040-11-13
Also published as: KR20220065181A; WO2022102884A1

Abstract

본 발명은 해수, 염수 또는 폐수가 유입되고, 처리된 처리수가 배출되는 경로를 제공하는 처리수 유로; 상기 처리수 유로의 타측에 배치되며, 이온 흡착제를 포함하는 이온 흡착부; 상기 처리수 유로의 일측에 배치된 제1이온 교환막; 상기 처리수 유로와 상기 이온 흡착부 사이에 배치된 제2이온 교환막; 상기 이온 흡착부의 타측에 배치되며, 상기 제1이온 교환막이 통과시킨 이온과 동일 전하를 갖는 이온을 통과시키는 제3이온 교환막; 상기 제1이온 교환막 일측에 배치된 제1유로; 상기 제3이온 교환막 타측에 배치된 제2유로; 상기 제1유로 및 상기 제2유로 내에 각각 배치된 한 쌍의 전극; 및 상기 제1유로 및 상기 제2유로 내에서 유동하며, 산화환원 반응 물질을 포함하는 전해액; 을 포함하는 탈염 장치를 제공한다.

Description

탈염 장치{DEIONIZATION DEVICE}

본 발명은 탈염 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 탈염 용량이 향상된 탈염 장치에 관한 것이다.

세계는 현재 지구 온난화에 의한 가뭄 현상 심화, 지하수 고갈, 사막화 진행과, 인구 증가, 산업화에 의한 생활 및 산업 용수 사용 증가로 인하여 물의 자원으로서의 가치가 증대되고 있어, 해수의 담수화나 생활 및 산업 폐수의 재활용화 등이 새로운 이슈로 등장하고 있다. 또한 산업용 초순수의 제조에 대한 관심이 높아지고, 생활면에서는 먹고, 씻을 맑은 물의 수요가 증가함에 따라 고효율의 이온 제거 장치의 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

또한, 경수(hard water)를 공업용수 및 생활용수로 사용할 경우 세제가 잘 풀리지 않을 뿐만 아니라 이가 양이온(Ca2+, Mg2+ 등)에 의한 스케일의 형성으로 공업적, 위생적 문제를 야기한다. 따라서 경수의 사용으로 인한 피해를 줄이기 위해서는 연수화 공정이 필수적이며, 이에 대한 기술력 개발이 활발히 진행되고 있다. 또한, 수중에 존재하는 방사성 Cs+ 이온의 제거 및 Li+ 이온 등의 회수는 환경 및 공업 분양에서 중요하게 인식되고 있다

현재 이온 물질을 제거하는 기술은 주로 증발법, 역삼투막법 및 이온교환수지법을 이용하고 있으며, 증발법과 역삼투막법은 높은 에너지 소비에 따른 운전비용 및 운전상의 문제점 등을 가지고 있고 가장 폭 넓게 사용하는 이온교환수지법은 재생할 때 산(Acid)이나 소금(NaCl)을 과량 사용하므로 2차 오염물질을 만드는 단점을 가지고 있다.

기존의 용존 이온 제거기술들이 가진 단점들을 보완하고 저 에너지 소비형의 새로운 이온 제거 기술을 개발하고자 세계 여러 나라에서 연구들이 진행 중이며, 이러한 이온 제거기술에는 미국 LLNL, Sabrex of Texas 등에서 개발 중에 있는 전기 축전식 탈염(CDI ; Capacitive Deionization) 기술이 있다.

전기 흡착식 이온 제거 기술인 CDI기술은 다른 방법들에 비해 에너지 소비량이 적으며 기존의 이온 제거 기술에서와 달리 화학약품에 의한 세정이 필요 없어 2차 오염이 없는 환경 친화적인 새로운 이온 제거 기술이며 유지보수가 간편하다는 장점이 있어 차세대 용존 이온 제거 기술로 연구가 활발히 진행되고 있다.

최초의 CDI 공정 연구는 1960년대 미국 오클라호마대학 연구진이 다공성 활성탄 전극을 사용하여 해수의 담수화 연구를 하였고 이후 Johnson 등은 활성탄소를 이용하여 CDI 실험을 수행한 바 있다. 그러나 핵심 요소인 전극의 성능 저하로 인하여 지속적인 공정의 어려움으로 개발하지 못하였으나 미국의 LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory)에서 90년대 중반에 탄소에어로젤 전극을 이용한 CDI 공정을 개발하는 등의 연구가 진행되었고 그 밖에 활성 탄소 섬유, 탄소나노튜브 등을 전극 활물질로 사용한 CDI 공정 개발에 대한 연구도 진행된 바 있다.

CDI는 전기화학적 흡/탈착을 이용해 원수의 이온을 가역적으로 제거하는 기술이다. 본 공정은 전위가 인가될 때, 전극 표면의 이중 층 내에 이온을 저장시킴으로써, 원수 내 이온을 제거한다. 그러나 축전식 탈염 공정은 필연적으로 이온 흡착에 필요한 전하의 일부가 낭비된다. 왜냐하면, 전기 이중층이 형성될 때 전극 표면에 존재했던 동전하 이온들 (전극의 전위와 같은 전위를 띄는 이온)을 밀어 내는데 전력을 소모하기 때문이다. 이러한 한계를 극복하기 위해, Membrane capacitive deionization (MCDI) 시스템이 등장했다. MCDI는 이온교환막을 적용함으로써 '동전하 이온반발'을 완화시켜, 탈염 성능과 전하 효율을 비약적으로 향상시켰다.

양쪽 전극 앞에 위치한 이온 선택성 막들은 (cation exchange membrane on cathode and anion exchange membrane on anode) 동전하 이온에 소모되는 전하를 절약시켰다. MCDI 시스템은 저농도 운전, 정전류 운전과 에너지 회수 등 활발하게 개발되어 왔다.

MCDI에 적용되는 이온교환 물질의 개발은 두 가지 방향으로 진행되었다.

첫째로, 이온 교환막의 재료가 개발되었다. 이러한 이온 교환막 개발의 예로는 NaSS-MAA-MMA copolymer 를 양이온 교환막으로, 4-vinylbenzylchloride/ styrene/ ethylmethacrylate를 음이온 교환막으로 적용하였다. 또한, Cross-linked quaternised polyvinyl alcohol을 AEM으로 제안하여 약 2배의 탈염 용량 향상을 보였다. 이온교환막 외에, 전극에 코팅용 이온 교환 물질 적용을 통해 성능 향상을 보인 연구들도 보고되어 왔다.

둘째로, 이온 교환 물질을 전극에 코팅하는 방향으로 개발되었다. 이러한 이온 교환 물질을 전극에 코팅하는 방법의 개발예로는 양이온 교환 수지로써, Polyvinyl alcohol/sulfosuccinic acid 을 음전극에 입혀 탈염 성능을 비약적으로 향상시켰다. 또한, 황산, 아민처리가 이루어진 bromomethylated poly(2,6-dimethyl-1,4-phenyleneoxide) (BPPO) 를 양/음 전극에 분사함으로써 이온교환 물질 코팅을 간편하게 성공시켰다. Nie 등은 electrodeposition 법으로 전극에 양이온 교환 수지로써 polyacrylic acid 를 직접 전극에 코팅하여 좋은 regeneration ability(30 cycle)를 달성하였다.

이처럼 탄소 전극을 이용할 경우 넓은 표면적을 가지고 있어, 수용액 상에서 상대적으로 안정적인 용량 특성에서 우수한 장점이 있기는 하나, 탄소 자체의 저항이 적지 않으며, 표면 특성이 소수성이므로 물과 친하지 않다는 단점이 있으며, 탈염되는 속도면에서도 다소 느린 경향이 있다.

따라서, 탈염이 효율적으로 이루어지면서도 우수한 속도 특성을 갖는 탈염 공정의 개발이 요구되었다.

특허문헌 1: 대한민국등록특허 제1237258호 특허문헌 2: 대한민국등록특허 제1410642호 특허문헌 3: 대한민국공개특허 제2012-0058228호

상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 축전식 탈염 공정에서 탈염 용량을 향상시킬 수 있는 탈염 장치를 제공하는 데 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 해수, 염수 또는 폐수가 유입되고, 처리된 처리수가 배출되는 경로를 제공하는 처리수 유로; 상기 처리수 유로의 타측에 배치되며, 이온 흡착제를 포함하는 이온 흡착부; 상기 처리수 유로의 일측에 배치된 제1이온 교환막; 상기 처리수 유로와 상기 이온 흡착부 사이에 배치된 제2이온 교환막; 상기 이온 흡착부의 타측에 배치되며, 상기 제1이온 교환막이 통과시킨 이온과 동일 전하를 갖는 이온을 통과시키는 제3이온 교환막; 상기 제1이온 교환막 일측에 배치된 제1유로; 상기 제3이온 교환막 타측에 배치된 제2유로; 상기 제1유로 및 상기 제2유로 내에 각각 배치된 한 쌍의 전극; 및 상기 제1유로 및 상기 제2유로 내에서 유동하며, 산화환원 반응 물질을 포함하는 전해액; 을 포함할 수 있다.

상기 제1이온 교환막 및 상기 제3이온 교환막은 음이온 교환막이고, 상기 제2교환막은 양이온 교환막일 수 있다.

상기 이온 흡착제는 양이온을 선택적으로 흡착할 수 있다.

상기 제1유로에서는 상기 해수, 염수 또는 폐수에서 음이온이 유입되고, 상기 제2유로에서는 상기 이온 흡착부로 음이온을 배출할 수 있다.

상기 이온 흡착제는 양이온을 선택적으로 흡착할 수 있다.

본 발명에 따른 탈염 장치는 전극 측에 흐르는 전해 용액에 산화 환원 반응 물질을 포함시켜, 축전식 탈염 공정에서 탈염 용량을 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈염 장치를 개략적으로 도시한 예시도이고,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탈염 장치를 개략적으로 도시한 예시도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈염 장치를 통한 탈염 공정 중 처리수의 전도도 및 pH의 변화를 나타낸 그래프이고,
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탈염 장치를 통한 재생 공정 중 흡착제에 따른 흡착 농도 변화를 나타낸 그래프이다.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈염 장치를 개략적으로 도시한 예시도이다.

본 발명은 탈염 장치에서 전극 측에 흐르는 전해 용액에 산화 환원 반응 물질을 포함시킨 것을 특징으로 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탈염 장치(100)는 해수, 염수 또는 폐수가 유입되고, 처리된 처리수가 배출되는 경로를 연속적으로 제공하는 처리수 유로(11), 상기 처리수 유로(11)의 타측에 배치되며, 이온 흡착제(41)를 포함하는 이온 흡착부(40), 처리수 유로(11)의 일측에 배치된 제1이온 교환막(21), 처리수 유로(11)와 이온 흡착부(40) 사이에 배치된 제2이온 교환막(22), 이온 흡착부(40)의 타측에 배치되며, 제1이온 교환막(21)이 통과시킨 이온과 동일 전하를 갖는 이온을 통과시키는 제3이온 교환막(23), 제1이온 교환막(21) 일측에 배치된 제1유로(31), 제3이온 교환막(23) 타측에 배치된 제2유로(32), 제1유로(31) 및 제2유로(32) 내에 각각 배치된 한 쌍의 전극(51, 52) 및 제1유로(31) 및 제2유로(32) 내에서 유동하며, 산화환원 반응 물질을 포함하는 전해액(30) 을 포함한다.

처리수 유로(11)는 해수, 염수 또는 폐수가 유입될 수 있으며 처리된 처리수(10)를 배출하는 경로를 제공할 수 있다.

여기서, 상기 해수, 염수 또는 폐수는 탈염이 가능한 양이온과 음이온을 포함할 수 있다.

처리수 유로(11)의 일측에는 제1이온 교환막(21)이 배치되고, 타측에는 제2이온 교환막(22)이 배치되어, 해수, 염수 또는 폐수 내의 양이온과 음이온이 교환될 수 있다. 또한, 이온 흡착부(40)의 타측에는 제3이온 교환막(23)이 배치되어, 전해질(30)내의 양이온 또는 음이온이 이온 흡착부(40) 측으로 투과될 수 있다.

여기서, 제1이온 교환막(21)과 제3이온 교환막(23)은 동일 전하의 이온에 대해 선택 투과성을 나타낼 수 있고, 제2이온 교환막(22)는 제1이온 교환막(21)과 제3이온 교환막(23)과 상이한 전하의 이온에 대해 선택 투과성을 나타낼 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 탈염 장치(100)에서는 제1이온 교환막(21) 및 제3이온 교환막(23)은 음이온 교환막으로 구성되어 음이온에 대해 선택 투과성을 나타내고, 제2이온 교환막(22)은 양이온 교환막으로 구성되어 양이온에 대해 선택 투과성을 나타낼 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탈염 장치를 개략적으로 도시한 예시도이다.

한편, 도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 탈염 장치(200)에서는 제1이온 교환막(221) 및 제3이온 교환막(223)은 양이온 교환막으로 구성되어 양이온에 대해 선택 투과성을 나타내고, 제2이온 교환막(222)은 음이온 교환막으로 구성되어 음이온에 대해 선택 투과성을 나타낼 수 있다.

여기서, 이온 교환막(21, 22) 및 전극(51, 52)는 종래 축전식 전극(전지, 축전지 등)에 사용되어 오고 있는 것들이라면 어느 것이나 다 사용 가능하며, 당해 기술분야에 속하는 통상의 전문가가 그 사용목적 및 조건에 따라 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.

제1이온 교환막(21) 및 제2이온 교환막(22)은 미세공 절연 분리막이고, 이온교환(전도)막일 수 있다. 제1이온 교환막(21) 및 제2이온 교환막(22)은 전기물리적 분리를 위해 설치되는 것으로 미세공 절연 분리막(separator)은 이온 이동만이 가능하고, 이온교환(전도)막은 양이온(cation) 또는 음이온(anion)만을 선택적으로 이동시킬 수 있다.

전극(51, 52)는 제1이온 교환막(21)에 인접하게 배치된 제1전극(51) 및 제2이온 교환막(22)에 인접하게 배치된 제2전극(52)을 포함할 수 있다.

한편, 전극(51, 52)에 흡착되는 이온의 양은 사용된 전극의 정전용량(capacitance)에 따라 결정되기 때문에 본 발명에서는 비표면적이 큰 다공성 탄소전극(carbon electrode)이 사용될 수 있다.

제1전극(51)은 제1이온 교환막(21)의 일측에 배치된 제1유로(31) 내에 배치되고, 제2전극(52)은 제3이온 교환막(23)의 타측에 배치된 제2유로(32) 내에 배치될 수 있다.

여기서, 제1전극(51)은 제1이온 교환막(21)과 이격되어 배치될 수 있고, 제2전극(52)은 제3이온 교환막(23)과 이격되어 배치될 수 있다.

여기서, 도시하지 않았지만, 제1전극(51)에는 양전극 활물질이 코팅되어 있고, 제2전극(52)에는 음전극 활물질이 코팅되어 있을 수 있다.

제1유로(31) 및 제2유로(32)는 상호 연통되는 것이 바람직하며, 제1유로(31) 측으로 유입된 전해액(30)은 제1이온 교환막(21)을 통해 탈염 공정을 수행한 후, 제2유로(32)측으로 배출될 수 있다. 여기서, 제1유로(31) 및 제2유로(32)의 상단은 튜브 등을 통해 연통될 수 있다.

또한, 제2유로(32) 측으로 유입된 전해액(30)은 제3이온 교환막(23)을 통해 재생 공정을 수행한 후, 제1유로(31)측으로 배출될 수 있다.

여기서, 제1유로(31) 및 제2유로(32)의 하단은 튜브 등을 통해 연통될 수 있고, 중간에 배치된 저장 용기를 통해 전해액(30)의 유동을 제어할 수 있다.

전해액(30)은 산화환원 반응 물질을 포함할 수 있다.

여기서, 전해액(30)의 산화환원 반응 물질은 페로시안 화합물(Ferro cyanide)을 포함할 수 있다.

일 예에서, 전해액(30)의 산화환원 반응 물질은 Na₄Fe(CN)₆ 으로 선택될 수 있다.

한편, 전해액(30)의 산화환원 반응 물질은 다음의 [반응식]과 같이 산화 환원 반응할 수 있다.

[반응식]

제1이온 교환막(21)은 양이온을 선택적으로 투과하고, 제2이온 교환막(22)은 음이온을 선택적으로 투과할 수 있다.

또한, 외부로부터 공급되는 발생한 전위차, 예를 들어 0.5~2.0v 범위의 전위차가 제1전극(51)과 제2전극(52)에 인가되면, 전극에는 일정한 전하량이 하전된다.

하전된 전극(51, 52)에 이온을 포함한 염수(brine water)를 통과시키면, 우선, 하전된 전극과 반대 전하를 가진 이온들이 정전기력에 의해 각각의 전극(51, 52)으로 이동하여 탈염 처리된 물은 이온이 제거된 순수(pure water)(처리수)(40)가 된다.

여기서, 제1전극(51) 측(일측)으로 이동한 음이온은 제1전극(51) 표면에 흡착되고, 제2전극(52) 측(타측)으로 이동한 양이온은 이온 흡착부(40)내로 유입되어 이온 흡착제(41)에 흡착될 수 있다.

또한, 전극(51, 52)이 배치된 제1유로(31) 및 제2유로(32) 내에는 전해액(30)이 흐르게 되며, 전해액(30)의 산화환원 반응 물질은 전극에 인가된 전압으로 인해 산화환원 반응을 수행하게 되고, 이 때 전해액의 전하 균형을 맞추기 위해 음이온이 제1이온 교환막(21)을 통해 전해액(30)으로 유입되고, 양이온이 제2이온 교환막(22)을 통해 이온 흡착부(40)로 유입되어 처리수 유로(11)의 탈염 성능을 높일 수 있다.

예컨대, 제1유로(31) 내의 산화환원 반응 물질은 제1전극(51)에 인가된 + 전압으로 인해 산화반응을 수행할 수 있고, 이온 흡착부(40) 내의 산화환원 반응 물질은 제2전극(52)에 인가된 - 전압으로 인해 환원반응을 수행할 수 있다.

또한, 처리수 유로(11)에서는 전하의 평형을 위해 양이온을 제2이온 교환막(22)을 통해 이온 흡착부(40)로 유입시킬 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 탈염 장치는 전극의 용량(Capacitive)에 따른 이온 처리 기작과 산화환원 반응(Redox Couple)을 통한 전자전달반응에 따른 이온 처리 기작을 동시에 활용할 수 있어, 탈염 성능을 향상시킬 수 있다.

한편, 제1유로(31) 및 제2유로(31)의 유입단에는 상대적으로 음이온이 과다하게 존재하며, 이온 흡착부(40)에는 처리수 유로(11)에서 유입된 양이온이 과다하게 존재하여, 제2유로(31)와 이온 흡착부(40) 사이에서는 전하의 평형을 위해 제2유로(31)의 음이온이 제3이온 교환막(23)을 통해 이온 흡착부(40)로 유입될 수 있다.

이를 통해, 제2유로(31)의 전해액(30)은 음이온이 배출된 상태로 재생될 수 있다. 즉, 별도의 재생 공정을 수행하지 않아도 전해액(30)은 흡수한 음이온을 배출할 수 있어, 전해액(30)을 재활용 할 수 있고 연속 공정으로 탈염 공정을 수행할 수 있으며, 전극(51, 52)에서 필요 이상의 이온의 흡착을 방지할 수 있다.

한편, 이온 흡착부(40)는 수용성 이온 매질 내에 분산된 복수의 이온 흡착제(41)로 구성될 수 있다. 이온 흡착제(41)는 처리수 유로(11)의 처리수(10)에서 유입되는 양이온을 흡착할 수 있다.

여기서, 이온 흡착제(41)는 특정 금속 이온만을 흡착할 수 있는 고선택성 흡착제로 형성되는데, 예를 들어, 흡착하려는 이온이 금 이온인 경우, 이온 흡착제(41)는 Glutaraldehyde crosslinked chitosan bead 또한 Mesoporous silica(MCM-48) crosslinked with tannic acid로 구성될 수 있고, 흡착하려는 이온이 은 이온인 경우, 이온 흡착제(41)는 graphitic carbon nitride로 구성될 수 있고, 흡착하려는 이온이 리튬 이온인 경우, 이온 흡착제(41)는 Lithium manganese oxide로 구성될 수 있다.

다만, 이온 흡착제(41)는 다양한 실시 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다.

여기서, 후속 공정을 통해, 이온 흡착제(41)에서 흡착한 이온은 분리될 수 있고, 이를 통해 요구하는 성분을 용이하게 회수할 수 있다. 즉, 폐수(10)에 존재하는 귀금속 등을 용이하게 회수할 수 있다.

한편, 본 발명에서 이온 흡착부(40)는 내부 공간을 갖는 용기에 이온 매질과 이온 흡착제(41)를 수용한 형태로 처리수 유로(11)과 제2유로(32) 사이에 배치될 수 도 있고, 이온 흡착제(41)를 포함하는 매질이 흐름을 갖는 이온 흡착 유로를 구성할 수 도 있다.

<측정 결과>

이하에서는 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 탈염 장치에 따른 탈염 성능을 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈염 장치를 통한 탈염 공정 중 처리수의 전도도 및 pH의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탈염 장치를 통한 재생 공정 중 흡착제에 따른 흡착 농도 변화를 나타낸 그래프이다.

실시예

실시예에서는 상술한 바와 같이 탈염 장치를 구성하고, 전극 측에 인가되는 전압을 달리하여 처리수의 전도도 및 pH의 변화를 측정하여, 도 3과 같이 그래프로 나타내었다.

도 3을 참조하면, 각 전압 및 공정 시간의 변화에서도, 전기 전도도 및 pH가 변화 없이 일정한 것을 확인할 수 있다.

여기서, 도 2는 H⁺와 OH^-에 의한 pH 변화를 측정하기 위한 것으로, 처리수의 pH를 측정하여 나타낸 그래프이다. 일반적으로 pH는 전극에 전기적인 힘을 인가하였을 때 셀 내에서 용액 내 이온들의 흡/탈착 반응 또는 어느 화학종에 의한 산화/환원 반응을 확인할 수 있는 지표로서, 이상적인 탈염용 전극은 전자에 선호적이어야 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 탈염 장치에서는 효율이 상당히 높은 pH에 대한 변화의 폭이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다. pH의 변화 폭은 약 ±0.1로 전극에 인가된 힘이 이온들의 흡/탈착 반응에 더 우호적임을 확인할 수 있다. 또한 전도도 변화 그래프가 지속적으로 - 지표를 가르키는것으로 보아 처리수가 지속적으로 탈염이 되는 것을 확인할 수 있다. 또한 시스템에 인가하는 전압이 높아짐에 따라 제거할 수 있는 이온의 양이 늘어나는 것을 알 수 있었다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 탈염 장치에서 탈염 공정을 연속적으로 수행하여도 탈염 성능을 유지할 수 있다.

또한, 도 4 및 도 5를 참조하면, 리튬이온과 소듐이온이 시간에 따라 효율적으로 농축되는 것을 알 수 있다. 리튬의 경우 37 mM까지 농축되는 것을 알 수 있었으며, 소듐의 경우 이보다 더 높은 51 mM까지 농축 되는 할 수 있었다. 이 농축된 이온들은 사용되는 이온 흡착제의 종류를 달리하여, 필요로 하는 이온 성분을 용이하게 농축할 수 있으며, 이를 후처리하여 흡착제 별로 선택적인 이온 성분을 회수할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 명백할 것이다.

Claims

해수, 염수 또는 폐수가 유입되고, 처리된 처리수가 배출되는 경로를 제공하는 처리수 유로;
상기 처리수 유로의 타측에 배치되며, 수용성 이온 매질과 상기 수용성 이온 매질 내에 분산된 복수의 이온 흡착제를 포함하는 이온 흡착부;
상기 처리수 유로의 일측에 배치된 제1이온 교환막;
상기 처리수 유로와 상기 이온 흡착부 사이에 배치된 제2이온 교환막;
상기 이온 흡착부의 타측에 배치되며, 상기 제1이온 교환막이 통과시킨 이온과 동일 전하를 갖는 이온을 통과시키는 제3이온 교환막;
상기 제1이온 교환막 일측에 배치된 제1유로;
상기 제3이온 교환막 타측에 배치된 제2유로;
상기 제1유로 및 상기 제2유로 내에 각각 배치된 한 쌍의 전극; 및
상기 제1유로 및 상기 제2유로 내에서 유동하며, 산화환원 반응 물질을 포함하는 전해액; 을 포함하고,
상기 이온 흡착제는 Glutaraldehyde crosslinked chitosan bead, Mesoporous silica(MCM-48) crosslinked with tannic acid, graphitic carbon nitride 및 Lithium manganese oxide 중 적어도 하나를 포함하는 탈염 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1이온 교환막 및 상기 제3이온 교환막은 음이온 교환막이고,
상기 제2이온 교환막은 양이온 교환막인 탈염 장치.
제2항에 있어서,
상기 이온 흡착제는 양이온을 선택적으로 흡착하는 탈염 장치.
제3항에 있어서,
상기 제1유로에서는 상기 해수, 염수 또는 폐수에서 음이온이 유입되고,
상기 제2유로에서는 상기 이온 흡착부로 음이온을 배출하는 탈염 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1유로에서는 상기 해수, 염수 또는 폐수에서 음이온이 유입되고,
상기 제2유로에서는 상기 이온 흡착부로 음이온을 배출하는 탈염 장치.
제5항에 있어서,
상기 이온 흡착제는 양이온을 선택적으로 흡착하는 탈염 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1이온 교환막 및 상기 제3이온 교환막은 양이온 교환막이고,
상기 제2이온 교환막은 음이온 교환막인 탈염 장치.