KR101564921B1 - 금속섬유를 포함하는 담수화용 전기투석 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속섬유를 포함하는 담수화용 전기투석 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 금속섬유를 포함하여 전극이 설치되고 전극 사이에 공간이 형성되어 있는 농축실, 희석실, 음이온교환막 및 양이온교환막이 적층 된 해수에 포함된 이온을 제거하기 위한 금속섬유를 포함하는 담수화용 전기투석 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 종래 플레이트 전극을 사용할 때보다 40% 감소 된 면적으로 제작하여 초기설비비의 감소가 가능하고, 금속섬유를 직소하여 전극제작 시 면적의 제어를 함으로써 낮은 전력소모와 높은 전류 효율을 나타냄으로써 성능 및 경제성이 향상된다.

Description

금속섬유를 포함하는 담수화용 전기투석 장치{Electrodialysis device for desalination containing metal fibers}

본 발명은 금속섬유를 포함하는 담수화용 전기투석 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 금속섬유가 포함된 전극이 지지체 내측 양단에 설치되고 양단의 전극 사이에 농축실, 희석실, 음이온교환막 및 양이온교환막이 적층 된 금속섬유를 포함하는 담수화용 전기투석 장치에 관한 것이다.

일반적으로 해수의 담수화는 증발법(다단 플래시증발법, 다중효용증발법, 증기압축법), 역삼투막법, 냉동법, 전기투석법 등이 있으며 해수의 담수화에는 역삼투막법과 전기투석법이 주로 사용되고 있다.

역삼투막에 의한 해수의 담수화는 해수(TDS 35,000ppm)를 담수화하기 위해 삼투암 25기압(atm)의 2배 이상의 압력으로 운전해야하기 때문에 높은 동력비와 높은 막 교환비용이 소모되는 문제점이 있으며, 증발법이나 냉동법의 경우도 높은 에너지 비용이 소모되는 문제점이 있다.

전기투석장치는 음이온교환막과 양이온교환막을 일정공간을 두고 교대로 배열하고, 상기 교대로 배열된 음이온교환막과 양이온교환막들 사이의 공간들을 원수용액이 교호로 분리되어 통과하는 희석실 수로와 농축실 수로로 형성한 투석함체를 형성하며, 상기 투석함체의 양단에 직류를 공급하는 직류공급장치를 구비한다.

상기 전기투석장치의 선행기술들로는, 한국등록특허 10-0561189호에는 투석회로 형식에 따라 선택적으로 수 개의 내, 외측 통수공들이 구비되는 수 개의 음, 양이온교환막과 스페이서를 갖고 중앙부 한 점 압착식 수지탑으로 조립되는 수 개의 셀 유니트의 조합으로 구성되는 소형 전기투석조와; 상기 전기투석조의 상하부 전극판에 직류전압을 공급하는 직류공급장치와; 상기 전기투석조의 희석액, 농축액 및 세척액 토출구를 각각 희석액 배출라인과 농축액 배출라인과 세척액 배출라인들에 대하여 토출수로 전환장치에 의하여 미리 입력된 제어값에 의하여 정상투석모드와 세척투석모드와 역전투석반복모드로 반복 순차제어하는 정상모드제어부와 세척모드제어부와 역전모드제어부를 구비하는 작동제어장치를 구비함을 특징으로 하는 투과막형 전기투석조를 이용한 해수담수화장치를 제공하고 있다.

또한, 한국등록특허 10-0899290호에는 해수나 해양 심층수를 염추출실 내부에 설치된 탈염실로 공급하면서 탈염실 외부에 설치된 양극과 음극에 정류기로부터 직류전기를 인가하여 탈염실에 전기장을 형성하면 전기영동에 의하여 양이온은 음극 쪽의 양이온교환 격막을 투과하여 염추출실로 이동하게 되며, 음이온은 양극 쪽의 음이온교환 격막을 투과하여 염추출실로 이동하게 되면서 탈염실의 염분은 탈염처리되는 해수에 함유되어 있는 염분을 전기적인 인력에 의해서 염분을 추출하여 탈염하는 장치를 제공하고 있다.

종래의 전기투석법의 경우 해수로부터 염분 제거율은 우수하지만 일반적으로 플레이트 전극을 사용하기 때문에 유로의 위쪽으로 갈수록 이온의 농도가 감소하여 불필요한 전력소모가 많은 문제점이 있다.

한국등록특허 10-0561189호 한국등록특허 10-0899290호

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 직조 된 금속섬유를 전기투석공정의 전극으로 사용하고 농축실 및 희석실의 공간에 형성된 유로를 사용함으로써 기존 플레이트 전극을 사용하는 것보다 전력소모의 감소 및 이온의 제거 효율이 향상된 것을 특징으로 하는 금속섬유를 포함하는 담수화용 전기투석 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 일면에 있어서,

금속 섬유로 이루어진 전기투석 장치에 있어서,

유로의 흐름에 따라 지지체(1), 양극판(2), 농축실(3), 음이온교환막(4), 희석실(5), 양이온교환막(6), 농축실(3), 음극판(7) 및 지지체(1)가 순차적으로 적층 된 적층체로 이루어지되,

상기 음이온교환막(4), 희석실(5), 양이온교환막(6) 및 농축실(3)은 반복 구조로서 복수 조가 더 설치될 수 있고,

상기 농축실(3) 및 희석실(5)은 내부에 공간이 형성되어 유로를 제공하고,

상기 적층체는 원수, 농축수 및 희석수의 통로를 형성하는 별도의 홀들이 상부 또는 하부에 형성된 것을 특징으로 하는 금속섬유를 포함하는 담수화용 전기투석 장치를 제공한다.

본 발명에 따르면 종래 플레이트 전극을 사용할 때보다 금속섬유가 포함된 전극 사용 시 40% 감소 된 면적으로 제작하여 초기설비비의 감소가 가능하고, 금속섬유가 포함된 전극 사용 시 전기투석장치의 면적 제어가 가능하여 전력소모가 적고 전류 효율이 개선된다.

도 1은 장치의 구조와 원수, 농축수 및 희석수의 유동흐름도를 나타낸 분해 사시도.
도 2는 담수화용 전기투석장치의 결합 측면도.
도 3은 담수화용 전기투석장치의 전극부 평면도.
도 4는 본 발명의 'U'자 형태의 홀 확대 평면도.

본 발명은, 일면에 있어서,

금속 섬유로 이루어진 전기투석 장치에 있어서,

유로의 흐름에 따라 지지체, 양극판, 농축실, 음이온교환막, 희석실, 양이온교환막, 농축실, 음극판 및 지지체가 순차적으로 적층 된 적층체로 이루어지되,

상기 음이온교환막, 희석실, 양이온교환막 및 농축실은 반복 구조로서 복수 조가 더 설치될 수 있고,

상기 농축실 및 희석실은 내부에 공간이 형성되어 유로를 제공하고,

상기 적층체는 원수, 농축수 및 희석수의 통로를 형성하는 별도의 홀들이 상부 또는 하부에 형성된 것을 특징으로 하는 금속섬유를 포함하는 담수화용 전기투석 장치를 제공한다.

이하, 본 발명에 따른 금속섬유를 포함하는 담수화용 전기투석장치에 대하여 첨부된 도면을 참고하여 더욱 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 전기투석장치는 도 1 및 도 2에 예시한 바와 같이 유로의 흐름에 따라 지지체(1), 양극판(2), 농축실(3), 음이온교환막(4), 희석실(5), 양이온교환막(6), 농축실(3), 음극판(7) 및 지지체(1)가 순차적으로 적층된 적층체로 이루어진다.

상기 음이온교환막(4), 희석실(5), 양이온교환막(6) 및 농축실(3)은 반복 구조로서 복수 조가 더 설치될 수 있다.

상기 적층체의 결합방법은 지지체(1)에 구멍을 내어서 볼트와 너트로 조이는 방식으로 액밀하게 고정결합시키는 것이 바람직하다. 그러나 적층체를 고정하는 다른 다양한 방법을 채택할 수 있다.

상기 지지체는 원수 및 농축수가 유입되는 지지체와 농축수 및 희석수가 배출되는 지지체로 구성되어 있다.

원수 및 농축수가 유입되는 지지체는 하단에 홀이 형성되고 농축수 및 희석수가 배출되는 지지체는 상단에 홀이 형성되어 유로를 제공한다.

원수 및 농축수는 펌프(미도시)에 의해 유입되고, 적층체를 통과하여 반응을 거친 농축수나 희석수는 지지체(1)의 배출구(홀)를 통하여 배출되되 처리된 희석수가 배출되는 지지체의 배출구(홀)에 설치된 전기전도도 또는 TDS 측정센서를 통해 이온제거효율이 측정될 수 있다.

양극판(2) 및 음극판(7)은 도 3에 나타낸 바와 같이 전극부(10)로 이루어져 있다.

상기 전극부(10)는 상부의 음극(-) 또는 양극(+)의 전극(11), 상기 전극의 하층에 접하고 금속 섬유로 직조 된 금속 섬유망(12) 및 금속 섬유망 하부에 형성된 홀(13)들로 구성되어 이루어진다.

상기 전극부(10)는 홀(13) 내에 O링(14)이 설치되는 것을 더 포함할 수 있다.

상기 O링(14)은 원수, 농축수 및 희석수의 혼입을 방지하고 금속 섬유망에 원수, 농축수 및 희석수가 직접적으로 접촉되지 않게 하여 전류의 누전을 방지할 수 있다.

상기 양극판(2) 및 음극판(7)의 금속 섬유망은 Ti, Al, Ni, Cu 및 STS 중 선택된 단일의 금속성분을 직조하여 사용하는 것이 바람직하고, 특히 STS를 사용하는 것이 가장 바람직하다.

상기 전극부는 상부의 음극상기 농축실(3)에 형성된 공간은 농축수에 유로를 제공하고 희석실에 형성된 공간은 희석수에 유로를 제공한다.

상기 농축실(3) 및 희석실(5)의 공간의 크기는 장치의 크기에 따라 변할 수 있으며, 0.6~9.36cm³의 크기로 제작하는 것이 바람직하다.

상기 적층체는 원수, 농축수 및 희석수의 통로를 형성하는 별도의 홀들이 상부 또는 하부에 형성된다.

상기 농축실(3) 및 희석실(5)의 홀(13)의 직경은 장치의 크기에 따라 변할 수 있으며, 0.6~1.5cm의 크기로 제작하는 것이 바람직하다.

상기 농축실(3) 및 희석실(5)의 홀들 중 일부는 도 4에 구체적으로 예시한 바와 같이 "U" 자 형태의 홀(15)로 이루어져 내부에 형성된 공간과 연통되는 구조를 갖는 것이 바람직하다.

상기 음이온교환막(4) 및 양이온교환막(6)은 장치의 크기에 따라 막의 크기가 변할 수 있다.

이하, 금속섬유를 포함한 담수화용 전기투석장치에서 탈염의 과정 및 원리에 대해 설명한다.

원수 및 농축수는 펌프(미도시)에 의해 유입되고, 적층체를 통과하여 반응을 거친 농축수나 희석수는 지지체(1)의 배출구(홀)를 통하여 배출된다.

원수 및 농축수가 펌프로 농축실(3) 및 희석실(5)에 공급되고, 정류기로부터 직류전기를 양극과 음극에 인가하면 전기장이 형성되어 전기영동에 의해 희석실에서 원수의 (+)이온은 음이온교환막을 투과하고 원수의 (-)이온은 양이온교환막을 투과하여 희석수가 생성되고 농축실의 농축수에 이온이 축적된다.

양극판 및 음이온교환막의 적층으로 공간이 형성된 농축실은 (+)이온이 농축되고 음극판 및 양이온교환막의 적층으로 공간이 형성된 농축실은 (-)이온이 농축되며 음이온교환막과 양이온교환막 사이에 존재하는 농축실은 (+)이온과 (-)이온이 농축될 수 있다.

전극에 의해 적층체가 정기장을 형성하면 전기영동에 의해서 희석실(5)을 투과하는 원수에 함유된 양이온(Na⁺, K⁺, Ca^{2 +}, Mg^{2 +}, Fe₂ ^{2 +}등)은 음극쪽의 양이온교환막(6)을 투과하여 농축실(3)로 이동하고, 음이온(Cl^-, Br^-, NO₃ ^-, SO₄ ^{2 -}, HCO₃ ^-등)은 양극쪽의 음이온교환막(4)을 투과하여 농축실(3)로 이동하는 과정을 통해 해수에 포함된 이온이 제거된다.

처리된 희석수가 배출되는 지지체의 배출구(홀)에 전기전도도 또는 TDS 측정센서를 설치하여 이온제거효율을 측정하고, 필요에 따라 세척을 수행하는 것이 바람직할 수 있다.

특히, 장시간 담수화가 진행되면 이온의 제거효율이 감소하므로 상기 농축실(3)의 이온제거효율은 전기전도도 또는 TDS측정센서를 통하여 지속적으로 측정하고 그 측정 결과를 판단하여 세척을 자동으로 진행하는 것이 더욱 바람직할 수 있다.

측정 결과에 따라 양극판(2)에는 음(-)극의 전압이, 상기 음극판(7)에는 양극(+)의 전압이 인가되면 세척이 진행된다.

이하, 원수, 농축수 및 희석수의 흐름에 관하여 상세히 설명한다.

원수는 적층체 하부에 형성된 한 방향의 홀들과 희석실을 통과한다.

더욱 구체적으로, 원수는 상기 지지체(1), 양극판(2), 농축실(3), 음이온교환막(4), 희석실(5), 양이온교환막(6) 및 농축실(3)의 하부에 형성된 홀을 통하여 이동한다.

농축수는 해수를 포함하고 적층체 하부에 형성된 별도의 한 방향의 홀들에서 유입되고 농축실(3)에서 분기 되어 하부 및 상부에 형성된 별도의 한 방향의 홀들을 통과하여 이동하며 전압이 인가될 때 전류의 효율을 높일 수 있다.

구체적으로, 농축수는 지지체(1), 양극판(2) 및 농축실(3)을 경유하여 농축실(3), 음이온교환막(4), 희석실(5), 양이온교환막(6) 및 농축실(3)의 하부에 형성된 별도의 홀을 통하여 이동하거나 또는 농축실(3) 내부에 형성된 공간을 통하여 하부의 홀과 대각하는 상부에 형성된 홀로 유입되어 농축실(3), 음이온교환막(4), 희석실(5), 양이온교환막(6), 농축실(3), 음극판(7) 및 지지체(1)의 상부에 형성된 홀을 통하여 이동한다.

한편, 희석수는 희석실 내부에 형성된 공간을 통과한 원수로부터 생성되며, 원수에 대각하는 상부에 형성된 한 방향의 홀들 및 희석실(5)을 통과한다.

구체적으로, 희석실(5), 양이온교환막(6), 농축실(3), 음이온교환막(4), 희석실(5), 양이온교환막(6), 농축실(3), 음극판(7) 및 지지체(1)의 상부에 형성된 별도의 홀을 통하여 이동하되, 원수와 희석수의 홀은 대각하는 위치에 있다.

또한, 농축수와 원수 및 희석수의 유입되는 통로와 배출되는 통로가 서로 분리되어 있고 농축실(3)과 희석실(5) 사이에도 교차 흐름이 없어서 농축수와 원수 및 희석수의 혼합이 방지된다.

이상, 본 발명은 구체적인 실시형태를 도면을 참고하여 설명하였으나, 본 발명에 해당 기술 분야에서 통상을 지식을 가진 자에 의해 아래에 기재될 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 기술사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경이 가능하다.

1 : 지지체 2 : 양극판
3 : 농축실 4 : 음이온교환막
5 : 희석실 6 : 양이온교환막
7 : 음극판 10 : 전극부
11 : 전극 12 : 금속망
13 : 홀 14 : O링
15 : 'U'자 형태의 홀

Claims (6)

1. 금속 섬유로 이루어진 전기투석 장치에 있어서,
   유로의 흐름에 따라 지지체, 양극판, 농축실, 음이온교환막, 희석실, 양이온교환막, 농축실, 음극판 및 지지체가 순차적으로 적층된 적층체로 이루어지되,
   상기 음이온교환막, 희석실, 양이온교환막 및 농축실은 반복 구조로서 복수 조가 더 설치될 수 있고,
   상기 양극판 및 음극판은 금속 섬유를 포함하는 전극부로 이루어지며,
   상기 전극부는 상부의 음극(-) 또는 양극(+)의 전극, 상기 전극의 하층에 접하고 금속 섬유를 직조 된 금속 섬유망, 및 금속 섬유망 하부에 형성된 O링 형상의 홀들이 포함되고,
   상기 O링은 원수, 농축수 및 희석수의 혼입을 방지하고 금속 섬유망에 원수, 농축수 및 희석수가 직접적으로 접촉되지 않게 하여 전류의 누전을 방지하며,
   농축실 내에 누적된 이온은 전기전도도 또는 TDS측정센서를 통하여 지속적으로 측정하고 그 측정 결과를 판단하여 자동으로 상기 양극판에는 음(-)극을, 상기 음극판에는 양(+)극을 공급하여 세척되고,
   상기 농축실 및 희석실은 내부에 공간이 형성되어 유로를 제공하며,
   상기 적층체는 원수, 농축수 및 희석수의 통로를 형성하는 별도의 홀들이 상부 또는 하부에 형성되고 원수는 적층체 하부에 형성된 한 방향의 홀들 및 희석실을 통과하고, 희석수는 희석실 내부에 형성된 공간을 통과한 원수로부터 생성되며, 원수에 대각하는 상부에 형성된 한 방향의 홀들 및 희석실을 통과하고, 농축수는 적층체 하부에 형성된 별도의 한 방향의 홀들에서 유입되고 농축실에서 분기 되어 하부 및 상부에 형성된 별도의 한 방향의 홀들에서 유입되고 농축실에서 분기되어 하부 및 상부에 형성된 별도의 한 방향의 홀들을 통과하는 것을 특징으로 하는 금속섬유를 포함하는 담수화용 전기투석 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 농축실 및 희석실의 홀들 중 일부는 "U" 자 형태의 홀로 이루어져 내부에 형성된 공간과 연통 되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 금속섬유를 포함하는 담수화용 전기투석 장치.
5. 삭제
6. 삭제

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