KR101627129B1 - 계층적 기공 구조의 탄소 전극을 갖는 축전식 탈염 장치 - Google Patents

Abstract

개시된 축전식 탈염 장치는, 한 쌍의 전극 및 상기 전극들 사이에 배치된 분리막을 포함한다. 상기 전극들 중 적어도 하나는 탄소 전극을 포함하며, 상기 탄소 전극은 직경이 2nm 미만인 미세 기공의 부피가 1㎤/g이상이고, 직경이 2nm 이상인 대형 기공의 부피가 4㎤/g이상이다.

Description

계층적 기공 구조의 탄소 전극을 갖는 축전식 탈염 장치{CAPACITIVE DEIONIZATION DEVICE INCLUDING CARBON ELECTRODE HAVING HIERARCHICALLY POROUS STRUCTURE}

본 발명은 축전식 탈염 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 계층적 기공 구조의 탄소 전극을 갖는 축전식 탈염 장치에 관한 것이다.

생활용수나 산업용수로서 물은 인간 생활에 있어 매우 중요하다. 그러나, 현대에는 물에 중금속이나, 질산성 질소, 불소 이온들이 포함되어 상기와 같은 물질이 포함된 물을 사람이 장기간 음용했을 때, 건강에 매우 해로울 수 있다. 따라서, 이제까지 수많은 수처리기술, 예를 들면 역삼투(RO), 전기투석(ED), 및 이온교환법(EDI) 등이 개발되어 오고 있으나, 상기의 기술들은 고비용과 고위험 기술 조건을 충족해야만 한다. 예를 들면 역삼투 시스템은 고압과 전처리 공정을 필요로 하고, 또한 농축된 물의 고부피(high volume) 현상을 일으킨다. 그러므로, 비록 고효율 박막 기술이 있다하더라도 작동을 위해서 매우 위험하고 비싼 공정을 필요로 한다.전기투석의 경우에는 고압을 필요로 하기 때문에 전기소비가 크고, 경도 이온과 유기 물질로부터 박막 오염(membrane fouling)을 일으켜 생성과정이 복잡하다. 이온교환수지를 이용하는 이온교환법은 다양한 화학물질로 인하여 제 2차 오염을 야기시키고 총용존고형물(TDS)을 제거하기가 매우 어려운 단점이 있다.

따라서, 상기와 같은 단점을 극복하기 위하여 전기흡착 및 전기 이중충 원리를 사용하는 정수기술을 이용하는 축전식 탈염(Capacitive deionization; CDI) 시스템이 개발되어 오고 있다. 상기 CDI의 스택은 지지판, 전류공급판, 전극, 가스켓, 전극분리막으로 구성되어 있다. 전류공급판은 전원공급장치로부터 전류를 받아 전류공급판과 붙어있는 전극에 양극 또는 음극을 띄게 하고 음이온과 양이온들은 전기적 인력에 따라 각 전극에 흡착하게 된다.

상기 축전식 탈염기술의 전극 재료로는 주로 높은 비표면적을 비교적 쉽게 구현할 수 있는 탄소가 이용되고 있다. 가장 널리 사용되고 있는 활성탄의 경우, 2 nm 이하 크기의 미세 기공의 발달로 매우 높은 비표면적을 나타내지만 (~2000 m²/g) 이온의 이동 통로가 되는 기공의 크기가 매우 작아 그 이동이 원활하지가 않고 결과적으로 낮은 속도 특성을 나타내게 된다. 반면에 카본 에어로젤과의 경우 2 nm 이상의 중형 및 대형 기공이 발달되어 있어 속도 특성이 뛰어나지만 미세 기공의 부족으로 낮은 비표면적과 그에 따른 낮은 정전용량을 나타내게 된다.

따라서, 축전식 탈염기술의 성능 개선을 위해서는 높은 이온 속도 특성을 가짐과 동시에 높은 정전용량을 갖는 전극 재료의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명은 높은 이온 속도 특성을 가짐과 동시에 높은 정전용량을 갖는 전극 재료를 사용한 축전식 탈염 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 축전식 탈염 장치는, 한 쌍의 전극 및 상기 전극들 사이에 배치된 분리막을 포함한다. 상기 전극들 중 적어도 하나는 계층적 기공 구조의 탄소 전극을 포함하며, 상기 탄소 전극은 직경이 2nm 미만인 기공의 부피가 1㎤/g이상이고, 직경이 2nm 이상인 기공의 부피가 4㎤/g이상이다.

일 실시예에 따르면, 상기 탄소 전극의 비표면적은 약 2,000㎡/g 이상이다.

일 실시예에 따르면, 상기 축전식 탈염 장치는, 상기 탄소 전극에 연결된 집전체를 더 포함하며, 상기 집전체는 그래파이트를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 탄소 전극은 1M의 NaCl 전해질에서, 1Hz의 주파수로 충방전시 적어도 60F/g 이상의 정전 용량을 갖는다.

일 실시예에 따르면, 상기 탄소 전극은, 직경이 0.8nm 미만인 초미세기공의 부피가 0.5㎤/g이상이고, 직경이 0.8nm 이상 2nm 미만인 미세기공의 부피가 0.5㎤/g이상이고, 직경이 2nm 이상 50nm 미만인 중형기공의 부피가 2㎤/g이상이고, 직경이 50nm 이상인 기공의 부피가 2㎤/g이상이다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 계층적 기공 구조의 탄소 전극을 이용함으로, 높은 이온 이동 속도와 동시에 큰 정전 용량을 가질 수 있다. 따라서, 탈염 성능이 크게 개선될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 장치를 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 2는 본 본발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 장치의 탄소 전극의 기공 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 실시예 1의 탄소체의 전자주사현미경(SEM) 사진이다.
도 4는 실시예 1의 탄소체에 대한 질소등온 흡/탈착 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는, 2mV/s에서 측정한, 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 전극의 CV 실험 결과를 도시한 그래프이다.
도 6은, 100mV/s에서 측정한, 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 전극의 CV 실험 결과를 도시한 그래프이다.
도 7은, 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 전극의 EIS 실험 결과를 도시한 그래프이다.
도 8은, 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 축전식 탈염 장치의 유출수의 전도도를 도시한 그래프이다.
도 9는, 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3의 기공 크기에 따른 부피를 도시한 그래프이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 장치에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 본문에 설명된 실시예는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 장치를 개략적으로 도시한 측면도이다. 도 2는 본 본발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 장치의 탄소 전극의 기공 구조를 나타내는 단면도이다.

도 1을 참조하면, 축전식 탈염 장치는 한 쌍의 탄소 전극(20) 및 상기 전극들 사이에 배치된 분리막(30)을 포함한다. 상기 탄소 전극들(20)은 전원에 연결되어, 하나는 양극으로서 기능하며, 다른 하나는 음극으로서 기능한다. 또한, 상기 축전식 탈염 장치는 상기 전극들(20)에 각각 연결된 한 쌍의 집전체(10)를 포함할 수 있다.

상기 분리막(30)은 상기 탄소 전극들(20) 사이에 배치되어 전극들 사이의 단락을 방지한다. 상기 분리막(30)은 폴리에틸렌, 폴리이미드, 나일론, 폴리카보네이트, 아크릴, 테프론 등의 고분자를 포함할 수 있다. 상기 분리막(30)은 중공 구조 등을 가질 수 있으며, 상기 축전식 탈염 장치에 공급된 염수는 상기 분리막(30)을 통하여, 상기 탄소 전극들(20) 사이에서 이동할 수 있다.

상기 집전체(10)는 상기 탄소 전극(20)에 전류를 공급하고, 상기 탄소 전극(20)을 보호하는 역할을 한다. 상기 집전체(10)는 탄소, 구체적으로 그래파이트를 포함할 수 있으며, 상기 집전체(10)는 상기 탄소 전극의 구성에 따라 생략될 수도 있다.

상기 탄소 전극(20)은, 도 2에 도시된 것과 같이, 서로 다른 크기의 공극들을 포함하는 계층적 기공 구조를 갖는다. 구체적으로, 직경이 약 2nm 미만인 기공의 부피가 약 1㎤/g이상이고, 직경이 약 2nm 이상인 기공의 부피가 약 4㎤/g이상이다. 또한, 상기 탄소 전극의 비표면적은 약 2,000㎡/g 이상일 수 있다. 보다 바람직하게는, 직경이 약 0.8nm 미만인 초미세기공의 부피가 약 0.5㎤/g이상이고, 직경이 약 0.8nm 이상 약 2nm 미만인 미세기공의 부피가 약 0.5㎤/g이상이고, 직경이 약 2nm 이상 약 50nm 미만인 중형기공의 부피가 약 2㎤/g이상이고, 직경이 약 50nm 이상인 기공의 부피가 약 2㎤/g이상이다. 또한, 상기 탄소 전극은, 1M의 NaCl 전해질에서, 1Hz의 주파수로 충방전시 적어도 60F/g 이상의 정전 용량을 가질 수 있다.

상기 탄소 전극은, 무기 전구체, 유기 전구체 및 제1 용매를 혼합한 혼합물을 열처리하여 무기-유기 골격 구조체를 합성한 후, 상기 무기-유기 골격 구조체를 제2 용매로 워싱한 후 건조하고, 소정의 온도범위에서 상기 무기-유기 골격 구조체를 열분해하여 얻어질 수 있다.

상기 무기물 전구체로는 금속 이온이나 금속 클러스터가 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 질산 아연 수화물(Zinc nitrate tetrahydrate 또는 Zinc nitrate hexahydrate)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 이외에도 원소 주기율표의 1족 내지 16족에 속한 하나 이상의 금속들로 만들어진 이온이나 클러스터가 사용 가능하다.

상기 금속 원자의 예로는, Li, Na, K, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Zr, Hf, V, Ti, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Sb, Co, Cu, Zn, Ag, Pt, Pd, Ni, Cd, Rb, Be, Ru, Os, Rh, Ir, Au, Hg, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, Pb, As, Bi 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

유기물 전구체로는 테레프탈산(Terephthalic acid), 아미노벤젠디카르복실레이트(amino-benzene dicarboxylate)와 나프탈렌디카르복실레이트 (Naphthalene dicarboxylate)를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 이 외에도, 할라이드(플로린(F), 클로린(Cl), 브로민(Br), 아이오딘(I)), N, O, S, B, P, Si나 Al 등 중 하나 이상을 포함한 유기물이 사용 가능하다.

보다 구체적으로, 유기물 전구체로는, 이소시아네이트(O-C≡N), 이소사이오시아네이트(N=C=S), 나이트릴(C≡N), 니트로소(-N=O), 니트로(NO2), 포스페이트(PO3-4) 등 중 하나 이상을 포함하고 있는 지방족이나 방향족 탄화수소 화합물이 사용될 수 있다.

이러한 유도체들의 근간이 되는 물질로는 벤젠, 나프탈렌, 카르복실레이트, 트라이메직산(Trimesicacid), 비페닐, 비피리딜((C5H4N)2), 피리딘(C5H5N) 등이 있다. 지방족 화합물은 선형, 가지형, 고리형 모두 가능하며, 방향족 화합물은 하나 이상의 벤젠고리가 잇달아 혹은 떨어져 존재하는 형태 모두 가능하다.

유기물 전구체는 유기 리간드 일 수 있으며, 대표적으로 사용 가능한 유기 리간드의 예로는 2-아닐리노-5-브로모테레프탈산(2-anilino-5-bromoterephthalic acid), 2-트라이플루오로메톡시 테레프탈산 (2-trifluoromethoxy terephthalic acid), 니트로테레프탈산, 시스-사이클로부탄-1,2-디카르복실산(cis-cyclobutane-1,2-dicarboxylic acid), 2,5-사이오펜디카르복실산(2,5-thiophenedicarboxylic acid), 2-(트라이플루오로메톡시)테레프탈산(2-(trifluoromethoxy)terephthalic acid), 1,3,5-벤젠트라이카르복실산(1,3,5-benzenetricarboxylic acid), 3,3-비스(트라이플루오로메틸)-1-옥소-5-아이소벤조퓨란카르복실산(3,3-bis(trifluoromethyl)-1-oxo-5-isobenzofurancarboxylic acid), 피렌-2,7-디카르복실레이트(pyrene-2,7-dicarboxylate), 터페닐-4,4-디카르복실레이트(terphenyl-4,4-dicarboxylate), 4,4,4-트라이카르복시트라이페닐아민(4,4,4-tricarboxytriphenylamine), 4,4,4-트리스(N,N-비스(4-카르복시페닐)아미노)트라이페닐아민(4,4,4-tris(N,N-bis(4-carboxyphenyl)amino)triphenylamine) 등이 있다.

무기 및 유기 전구체를 녹이는 용매로는, 디메틸포름아미드 (N,N'-dimethylformamide)나 디에틸포름아미드(N,N'-diethylformamide)가 사용될 수 있다. 이외에도, 물, 알코올, 케톤, 나이트라이트(Nitrite) 등이 사용될 수 있다.

용매의 보다 구체적인 예로는, 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 아이소프로판올, n-부탄올, 아이소부탄올, 터트-부탄올(tert-butanol), 포름산(formic acid), 아세트산(acetic acid), 프로피온산(propionic acid), 부탄산(butanoic acid), 아세토니트릴(Acetonitrile), 시아노벤젠(cyanobenzene), 아세톤(Aceton), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 1,2-디클로로에탄(1,2-dichloroethane), 포름아마이드(formamide), t-부틸포름아마이드(t-butylformamide), 아세트아마이드, t-부틸아세트아마이드(t-butylacetamide), 테트라하이드로푸란(tetrahydrofuran), 다이옥산(dioxane), 디메틸설폭사이드(dimethyl sulphoxide : DMSO), 수산화 나트륨(NaOH), 에테르(ether), N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone : NMP)과1-에틸-3-메틸 이미다졸리움 브로마이드(1-ethyl-3-methyl imidazolium bromide)가 사용될 수 있다.

무기 전구체와 유기 전구체를 모두 녹일 수 있으며, 수열(Hydrothermal reaction) 혹은 용매수열처리(Solvothermal reaction)를 견딜 수 있는 용매라면 제한없이 사용 가능하다. 물을 최대 1 wt% 정도까지 섞은 혼합 용매와 단일 용매 모두 합성에 사용할 수 있다. 혼합 용매의 경우, 결정을 만들 수 있는 범위 내에서 물의 질량비를 1 wt% 이상으로 조절할 수도 있다.

상기 무기-유기 골격 구조체를 합성하기 위하여, 혼합물을 10~1000 rpm으로 10분 내지 48시간 교반할 수 있으며, 열처리 과정은 혼합물을 상온에서부터 80℃ 내지 150℃의 온도까지 1 ℃/min 내지 5 ℃/min의 속도로 승온하고, 최고 온도에서 3시간 내지 72시간을 유지한 후 상온으로 냉각하는 과정을 포함할 수 있다. 상기 혼합물의 교반은 열처리 과정 전에 수행될 수 있다. 열처리 과정은 수열 처리 혹은 비수열 처리 모두 가능하며, 승온하는 최고온도 및 승온속도 및 최고 온도 유지 시간은 무기 전구체, 유기 전구체 및 용매의 종류에 따라 변경될 수도 있다.

상기 무기-유기 골격 구조체를 제1 용매로부터 거른 후, 사용 가능한 제2 용매 후보군에 함침하는 단계를 거친다. 상기 제2 용매 후보군에 함침하는 단계는, 30분 내지 24시간의 간격으로 2 내지 30번에 걸쳐 담갔다 빼는 워싱(washing)을 반복하는 방법으로 수행될 수 있다. 상기 제2 용매로는 디메틸포름아미드가 사용될 수 있다. 이어서, 무수(anhydrous)의 휘발성 용매를 이용하여 마찬가지로 담갔다 빼는 추가 워싱을 반복 수행할 수도 있다. 무수 휘발성 용매의 대표적인 예로는 무수 에탄올, 무수 아세톤과 무수 클로로포름 등이 있다.

상기 무기-유기 골격 구조체를 제2 용매에 함침한 후, 저활성 혹은 비활성 기체 하에서 500 ℃ 내지 1500 ℃까지, 2 ℃/min 내지 10 ℃/min의 속도로 열분해 한다. 예를 들어, 최고 온도에서 1시간 내지 72시간 동안 유지한 후, 상온으로 냉각할 수 있다.

상기 과정을 통하여 무기-유기 골격 구조체로부터 유도된, 탄소체를 얻을 수 있다.

상기 열분해를 수행하기 전에, 상기 무기-유기 골격 구조체는 제2 용매를 제거하기 위하여 건조될 수도 있으나, 바람직하게는, 건조과정 없이 상기 제2 용매 또는 상기 휘발성 용매가 구조체 내에 남아 있는 상태에서 열분해를 수행한다. 상기 열분해 과정에서, 상기 제2 용매 또는 상기 휘발성 용매가 휘발 또는 분해되면서, 다양한 크기를 갖는 계층적 기공 구조의 형성을 가능하게 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 장치는 계층적 기공 구조를 갖는 탄소 전극을 이용함으로, 높은 이온 이동 속도와 동시에 큰 정전 용량을 가질 수 있다. 따라서, 탈염 성능이 크게 개선될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 장치의 탄소 전극을 제조 과정 및 상기 탄소 전극을 이용한 축전식 탈염 장치의 효과를 구체적인 실시예 및 실험예를 통하여 살펴보기로 한다.

실시예 1

질산 아연 수화물 0.784g, 테레프탈산 0.166g을 N,N'-디에틸포름아미드 30 ml에 녹인 후, 노(furnace)에서 105℃까지 2 ℃/min의 속도로 승온한 후, 105 ℃에서 24시간을 유지하여 정육면체 결정인 무기-유기 골격 구조체를 얻었다. 상기 무기-유기 골격 구조체를 상온으로 식혀주고, 디메틸포름아미드로 세척한 후, 관가마(tube furnace)에서 질소 기체를 흘려주며, 5 ℃/min의 가열 속도로 900 ℃까지 가열한 후, 900 ℃에 도달하면 그 온도에서 3시간을 유지한 후, 상온으로 식혀서 기탄소체를 얻었다.

다음으로, 상기 탄소체, 도전체 (Super P), 그리고 바인더(PTFE)를 86:7:7의 무게비로 혼합하여 시트 형태의 전극을 제작하였다. 활물질은 높은 비표면적을 제공하기 위해, 도전체는 전극의 전도도를 높이기 위해, 그리고 바인더는 두 가지 재료를 고정하여 전극 형태로 유지시키기 위해 사용되었다.

다음으로, 상기 전극을 직경 50 mm의 원형으로 잘라 탄소 전극을 준비하고, 상기 탄소 전극, 그래파이트 집전체 및 나일론 분리막을 포함하는 축전식 탈염 장치를 준비하였다.

실시예 2

디메틸포름아미드로 세척한 후, 클로로포름으로 다시 세척한 것을 제외하고는 실시예 1과 실질적으로 동일한 방법으로 축전식 탈염 장치를 준비하였다.

실시예 3

디메틸포름아미드로 세척한 후, 약 150 ℃에서 약 24시간 건조하는 단계를 더 거친 것을 제외하고는 실시예 1과 실질적으로 동일한 방법으로 축전식 탈염 장치를 준비하였다.

비교예 1

실시예 1의 탄소체 대신 활성탄을 포함하는 탄소 전극을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방식으로, 축전식 탈염 장치를 준비하였다.

비교예 2

실시예 1의 탄소체 대신 카본 에어로젤을 포함하는 탄소 전극을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방식으로, 축전식 탈염 장치를 준비하였다.

실험예 １

도 3은, 실시예 1의 탄소체의 전자주사현미경(SEM) 사진이다. 도 3을 참조하면, 상기 탄소체는 표면이 갈라져 있는 형태로 입자를 유지하고 있으며, 확대 사진을 참조하면, 3차원의 다공성 구조가 규칙적으로 잘 발달된 것을 확인할 수 있다.

상기 탄소체의 표면적을 조사하기 위하여, 질소등온 흡/탈착 실험을 수행하였으며, 그 결과(Adsoprtion: 흡착량, Desorption: 탈착량, Relative pressure : 부분압)를 도 4에 나타냈다. 도 4를 참조하면, 상기 탄소체는 질소의 흡착량이 약 3500㎤/g에 이르는 것을 확인할 수 있었으며(P/P₀=0.99), 비표면적은 약 3000㎡/g인 것을 확인할 수 있었다. 이를 통하여, 상기 탄소체는, 큰 사이즈의 기공과 함께 작은 사이즈의 기공이 잘 발달되었음을 알 수 있다.

실험예 2

실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 전극의 전기화학적 특성을 분석하기 위하여, 순환전류전압법(Cyclic Voltammetry, CV)과 전기화학적 임피던스 분광법 (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)를 이용하여 전극의 정전용량을 측정하였다. 전해질로는 1 M 의 NaCl을 이용하였다.

도 5는, 2mV/s에서 측정한, 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 전극의 CV 실험 결과를 도시한 그래프이며, 도 6은, 100mV/s에서 측정한, 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 전극의 CV 실험 결과를 도시한 그래프이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 낮은 주사속도 (2 mV/s)에서는 세 종류의 탄소 전극 모두 이상적인 직사각형 모양이 나오는 반면, 높은 주사속도 (100 mV/s)에서는 활성탄(비교예 1)을 사용한 탄소 전극의 모양이 찌그러진 것을 확인할 수 있으며, 활성탄 내의 미세 기공이 이온의 빠른 이동에는 적합하지 않다는 것을 보여준다. 또한, 카본에어로젤(비교에 2)과 같이 중형 기공을 갖는 재료의 경우, 낮은 정전용량을 보이는데 반하여, 상기 탄소체(실시예 1)는 미세 기공까지 발달하여 높은 정전용량과 속도 특성을 모두 발휘할 수 있음을 알 수 있다.

도 7은, 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 전극의 EIS 실험 결과를 도시한 그래프이다. 도 7을 참조하면, 활성탄(비교예 1)은 빠른 주파수 영역 (1-10 Hz)에서는 낮은 정전용량을 나타내어, 속도특성이 좋지 않으나, 상기 탄소체(실시예 1)는 빠른 주파수 영역에서도 높은 정전용량, 구체적으로, 1Hz의 주파수로 충방전시 적어도 60F/g 이상의 정전 용량을 가질 수 있으며, 그 크기 또한 카본에어로젤(비교예 2)에 비해 높다는 것을 확인할 수 있다.

실험예 3

실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 축전식 탈염 장치의 탈염 성능을 평가하기 위하여, 10 mM의 NaCl을 펌프를 이용해 주입하면서, 충전을 위해 1.2 V의 전위를 10분간, 그리고 방전을 위해서 0 V의 전위를 10분간 인가했으며 유출수의 전도도를 실시간으로 측정하여, 그 결과를 도 8에 도시하였다. 구체적으로, 시간에 따라 변화하는 전도도 값을 적분하여 전극의 무게로 나눠주었다(specific deionization capacity or salt adsorption capacity, mg/g).

도 8을 참조하면, 실시예 1의 축전식 탈염 장치는 비교예들의 장치와 비교하여, 빠른 속도를 이온을 제거하는 것을 확인할 수 있다.

실험예 4

도 9는, 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3의 기공 크기에 따른 부피를 도시한 그래프이다.

도 9를 참조하면, 건조 과정을 거친 실시예 3에 비하여, 실시예 1 및 실시예 2의 탄소 전극이 보다 다양한 크기의 기공을 가질 수 있음을 알 수 있다. 또한, 디메틸포름아미드로 세척한 실시예 1과 휘발성 용매인 클로로포름으로 세척한 실시예 2의 기공 크기에 따른 부피가 달랐으며, 이를 통하여 용매를 변경하여 기공 구조를 변경시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 휘발성 용매인 클로로포름보다 디메틸포름아미드를 이용하여 얻어진 탄소 전극이 더 큰 전체 기공 부피를 가짐을 알 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 축전식 탈염 장치는 담수화, 연수화, 초순수 생산, 이온성 오염물질 제거, 유가금속의 농축 등에 사용될 수 있다.

Claims (8)

1. 한 쌍의 전극; 및
   상기 전극들 사이에 배치된 분리막을 포함하며,
   상기 전극들 중 적어도 하나는 탄소 전극을 포함하며, 상기 탄소 전극은 직경이 2nm 미만인 기공의 부피가 1㎤/g이상이고, 직경이 2nm 이상인 기공의 부피가 4㎤/g이상인 계층적 기공 구조를 가지며,
   상기 탄소 전극은, 제1 용매에서 금속을 포함하는 무기 전구체와 유기 전구체를 반응시켜 무기-유기 골격 구조체를 합성한 후, 제2 용매에 상기 무기-유기 골격 구조체를 함침한 후, 열분해하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 탄소 전극의 비표면적은 2,000㎡/g 이상인 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 탄소 전극에 연결된 집전체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 장치.
4. 제3 항에 있어서, 상기 집전체는 그래파이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 탄소 전극은 1M의 NaCl 전해질에서, 1Hz의 주파수로 충방전시 적어도 60F/g 이상의 정전 용량을 갖는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 탄소 전극은, 직경이 0.8nm 미만인 초미세기공의 부피가 0.5㎤/g이상이고, 직경이 0.8nm 이상 2nm 미만인 미세기공의 부피가 0.5㎤/g이상이고, 직경이 2nm 이상 50nm 미만인 중형기공의 부피가 2㎤/g이상이고, 직경이 50nm 이상인 기공의 부피가 2㎤/g이상인 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 장치.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서, 상기 제2 용매는 디메틸포름아미드, 무수 에탄올, 무수 아세톤 및 무수 클로로포름으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 장치.

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