KR101866890B1

KR101866890B1 - 유로일체형 이온교환막을 부착한 복극전극 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101866890B1
Application number: KR1020160081030A
Authority: KR
Inventors: 강경석; 김태일; 손원근; 박남수; 강지현
Original assignee: (주)시온텍
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2016-06-28
Publication date: 2018-06-15
Also published as: KR20180001915A; WO2018004104A1

Abstract

본 발명은 유로일체형 이온교환막을 코팅한 복극전극, 이의 제조방법 및 이를 이용한 축전식 탈염 모듈에 관한 것으로, 흡착 효율과 내구성이 우수할뿐만 아니라 전극의 휨 현상이 발생하지 않고, 스택형 모듈 제조가 용이하며, CDI 모듈 조립시 유로 형성을 위한 별도의 스페이서도 필요하지 않아 모듈 조립이 간편하고 자동화가 가능하다.

Description

유로일체형 이온교환막을 부착한 복극전극 및 이의 제조방법{Ion exchange membrane having flow channel laminated bipolar electrodes and method thereof}

본 발명은 축전식(Capacitive Deionization) 탈염에서 사용할 수 있는 이온교환막이 코팅된 복극전극에 관한 기술이다.

유체에 용해되어 있는 이온을 제거하는 탈염(Deionization) 기술은 생활용수나 산업용수를 제조하는데 매우 중요하다. 예를 들어, 생활용수에 중금속, 질산성 질소, 불소 이온 등이 포함되어 있는 경우 건강에 치명적인 영향을 끼칠 수 있다. 산업용수의 경우 경도물질이 포함되어 있는 보일러 수를 사용하게 되면 보일러의 열교환기에 스케일을 유발할 수 있어 공정의 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 이외에도, 전자나 의/약학 산업에서도 이온이 완전히 제거된 초순수(水)는 제품의 성능을 결정하는데 주요 요인 중 하나가 될 수 있어 탈염 기술은 다양한 산업 분야에 이용되고 있다.

일반적으로 탈염에 사용되는 방법으로 이온교환수지를 이용한 이온교환법이 주로 사용된다. 이온교환법은 효과적인 이온성 물질 분리가 가능하나, 이온교환이 완료된 수지 재생에 산, 염기 또는 염의 폐액 등이 발생할 수 있는 단점이 있다. 이온교환법외에 역삼투막법, 전기투석법 등의 분리막 기술이 사용되고 있으나, 막의 파울링(fouling)으로 인한 효율 감소, 오염된 막의 처리 필요 등 여러 단점이 존재한다.

최근에는 기존의 탈염 기술의 단점을 개선할 수 있는 축전식 탈염기술이 개발되었다. 축전식 탈염기술은 전극에 전위 인가시 전극 표면에 형성되는 전기이중층에서 전기적 인력에 의한 이온의 흡착 반응을 이용한 것으로 다른 탈염 기술에 비해 에너지 소모가 매우 낮은 장점이 있다.

축전식 탈염기술에는 전극의 흡착 효율 향상을 위해 이온선택성을 가지는 양이온 또는 음이온 이온교환막을 사용하여 이온선택성 전극이 포함된다. 그런데, 축전식 탈염 모듈을 조립할 때 전극사이에 유체가 흐를 수 있는 스페이서를 넣어 조립해야 하기 때문에 조립과정이 복잡하고 자동화가 어려워 생산성의 감소 및 제조원가 상승으로 이어지게 될 수 있다. 이러한 문제 해결을 위해 전극 양면에 직접 이온교환물질을 코팅하고 유로패턴을 만들거나 부치는 방법도 제안되었으나, 축전식 탈염복극을 만들 때 극성이 서로다른 양이온교환용액과 음이온교환용액을 탄소전극의 양쪽에 각각 코팅해야 함으로 연속공정으로 전극을 제조할 때 휨(curling) 현상의 발생하여 끊어짐이 발생할 수 있고 적층(stack)도 어려운 문제가 새로 발생하였다. 한국등록특허 제10-1410642호는 이온교환막에 인위적으로 유로를 형성하여 스페이서가 필요없는 탈염전극의 제조방법에 대하여 개시하고 있다. 그러나, 유로인 패턴을 형성하는 과정이 따로 필요하고, 연속공정의 어려움, 지속적인 탈염 과정에서 패턴 유지에 어려움 등이 있을 수 있다.

한국 등록특허 제10-1410642호

본 발명은 유로를 형성하기 위한 스페이서가 필요하지 않는 유로일체형 이온교환막이 전극 양면에 부착된 유로일체형 축전식탈염 복극전극(bipolar elctrodes) 및 이의 제조방법을 통해, 탈염 전극의 이온 흡착제거 효율을 높일 수 있고 CDI(capacitive deionization) 모듈 조립과정의 단순화 및 자동화가 가능한 새로운 기술을 제공하고자 한다.

본 발명은 양이온교환기(cation exchange group)를 가지는 고분자 수지를 유기용매에 녹여 제조한 양이온교환용액을 직포 또는 부직포에 코팅한 후 건조하여 제조한 유로일체형 양이온교환막, 음이온교환기(anion exchange group)를 가지는 고분자 수지를 유기용매에 녹여 제조한 음이온교환용액을 직포 또는 부직포에 코팅한 후 건조하여 제조한 유로일체형 음이온교환막, 양이온교환막 및 음이온교환막을 전극의 서로 다른 면에 각각 부착한 유로일체형 축전식탈염 복극전극을 제공한다.

본 발명은 양이온교환기 및 음이온교환기를 가지는 고분자수지를 유기용매에 용해하여 양이온교환용액 및 음이온교환용액을 제조하는 단계, 양이온교환용액 및 음이온교환용액을 지지체인 직포 또는 부직포에 코팅한 후 건조하여 유로일체형 양이온교환막 및 음이온교환막을 제조하는 단계 및 양이온교환막 및 음이온교환막을 탄소전극의 서로 다른 면에 각각 붙이는 단계를 포함하는 유로일체형 축전식탈염 복극전극을 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명의 유로일체형 이온교환막은 이온교환막의 제조과정에서 유로가 지지체의 구조에 따라 형성되기 때문에 유로를 형성하는 공정이 따로 필요하지 않다. 본 발명의 양이온교환막 및 음이온교환막은 전극 양면에 각각 부착하여도 전극의 휨(curling) 현상이 발생하지 않아 안정적인 형태를 가지고, 스택(stack)이 용이하다. 그리고, 스페이서를 사용하지 않고 CDI(capacitive deionization) 전극 모듈 조립이 가능하여 모듈 조립성이 간편하고, 자동화를 통한 생산성 향상 및 제조원가를 낮출 수 있다. 또한, 이온선택성 용액을 전극에 코팅하지 않기 때문에 흡착사이트의 감소가 없어 이온의 흡착 제거 효율을 높일 수 있으며, 전극 표면에 이온교환막의 지지체가 결합되어 있어 전극 표면의 내구성도 향상시킬 수 있다.

도 1은 유로일체형 이온교환막의 표면((A))과 단면((B))을 나타낸다.
도 2는 유로일체형 축전식 탈염 전극의 표면((A))과 단면((B))을 나타낸다.
도 3은 코팅형 축전식 탈염 전극의 표면((A))과 단면((B))을 나타낸다.
도 4는 코팅형 축전식 탈염 전극, 유로일체형 축전식 탈염 전극 및 상용막을 사용한 축전식 탈염 전극을 각각 포함하는 탈염 셀의 TDS(Total dissolved solid) 변화곡선((A))과 염 제거율((B))을 나타낸다.
도 5는 탄소전극의 양면에 서로 다른 극성의 이온교환막을 부착하여 제조한 복극전극 사진이다.
도 6은 탄소전극의 양면에 서로 다른 극성의 이온교환용액을 코팅하여 제조한 복극전극 사진이다.
도 7은 탄소전극의 양면에 서로 같은 극성의 이온교환용액을 코팅하여 제조한 전극 사진이다.

이하에서 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 따로 정의하지 않는 경우 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 내용으로 해석되어야 할 것이다. 본 명세서의 도면 및 실시예는 통상의 기술자가 본 발명을 쉽게 이해하고 실시하기 위한 것으로 도면 및 실시예에서 발명의 요지를 흐릴 수 있는 내용은 생략될 수 있으며, 본 발명이 도면 및 실시예로 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 이온을 포함한 유체가 흐르는 유로를 포함하는 유로일체형 이온교환막이 부착된 유로일체형 축전식탈염 복극전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 유로일체형 축전식탈염 복극전극은 양이온교환기(cation exchange group)를 가지는 고분자 수지를 유기용매에 녹여 제조한 양이온교환용액을 직포 또는 부직포에 코팅한 후 건조하여 제조한 유로일체형 양이온교환막, 음이온교환기(anion exchange group)를 가지는 고분자 수지를 유기용매에 녹여 제조한 음이온교환용액을 직포 또는 부직포에 코팅한 후 건조하여 제조한 유로일체형 음이온교환막, 양이온교환막 및 음이온교환막을 전극의 서로 다른 면에 각각 부착한 탈염 복극전극이다.

본 발명의 탈염 복극전극에 부탁한 이온교환막은 지지체인 직포 또는 부직포에 양이온교환기(cation exchange group) 또는 음이온교환기(anion exchange group)를 가지는 고분자 수지를 유기용매에 녹여 제조한 이온교환용액을 코팅한 후 건조하여 이온을 포함하는 유체가 흐르는 유로가 형성된 새로운 유로일체형 이온교환막이다. 본 발명의 이온교환막은 이온교환작용기(ion exchange function group)를 가지는 고분자 용액을 직포 또는 부직포인 지지체에 코팅하거나 함침한 후 증발 건조하여 이온교환막의 제조과정에서 유로가 형성될 수 있다.

본 발명의 유로일체형 이온교환막은 직포 또는 부직포를 지지체로 사용하고, 지지체의 종류, 지지체에 양이온선택성 또는 음이온선택성 용액을 코팅하거나 함침할 때 용액의 농도와 용액에 의해 형성되는 코팅층의 두께에 따라 유로의 형태 및 깊이를 달리할 수 있다. 이렇게 형성된 유로일체형 이온교환막을 전극 표면에 라미내이션(Lamination)함으로서 흡착 효율과 내구성이 우수하고, 휨 현상이 없어 안정적인 형태를 유지할 수 있으며, 스택도 용이한 복극전극을 제조할 수 있다. 나아가 스페이서가 필요없으면서 이온선택성을 갖는 유로일체형 축전식탈염(CDI) 전극 모듈을 간편히 생산할 수 있어 자동화를 통해 생산성 향상을 높힐 수 있다.

본 발명에서 직포 또는 부직포는 이온교환용액을 코팅하거나 함침하는 지지체로, 폴리아미드계(polyamide series), 폴리에틸렌계(Polyethylene series), 폴리프로필렌계(polypropylene series), 셀룰로스계(cellulose series), 아크릴계 (polyacryl series), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에스테르계(polyester series) 및 천연섬유로 이루어진 군에서 선택되는 고분자로 형성된 것인 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다.

지지체의 두께는 10 ~ 10,000 ㎛, 바람직하게는 50 ~ 1,000 ㎛이나 이에 제한되지 않고 제조하고자 하는 모듈에 따라 조절할 수 있다.

본 발명에서 지지체에 코팅하거나 함침하는 이온교환용액은 양이온교환기(cation exchange group) 또는 음이온교환기(anion exchange group)를 가지는 고분자 수지를 유기용매에 녹여 제조할 수 있다.

양이온교환기는 술폰산기(-SO₃H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO₃H₂), 포스피닉기(-HPO₂H), 아소닉기(-AsO₃H₂) 및 셀리노닉기(-SeO₃H)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 양이온교환기가 바람직하나 이에 제한되지 않는다.

음이온 교환기는 4급 암모늄염(-NH₃), 1급 아민(-NH₂), 2급 아민(-NHR), 3급 아민(-NR₂), 4급 포스포니움기(-PR₄) 및 3급 술폰니움기(-SR₃)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 음이온교환기가 바람직하나 이에 제한되지 않는다.

이온교환용액은 양이온 또는 음이온교환기를 가지는 고분자수지를 유기용매에 용해시켜 제조할 수 있고, 이온을 교환할 수 있는 기능기를 가지는 고분자라면 제한되지 않는다. 예를 들어, 이온교환기를 가지고 있으면서 유기용매에 녹아 용액으로 존재할 수 있는 고분자 이오노머로, 폴리스티렌, 폴리술폰, 폴리이서술폰, 폴리아미드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리에테르, 폴리에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 폴리글리시딜메타크릴레이트 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.

유기용매는 양이온 또는 음이온교환기를 가지는 고분자 종류에 따라 선택하여 사용할 수 있으며, 고분자 이오노머를 용해할 수 있는 용매라면 제한되지 않는다. 예를 들어, 디메틸포름아마이드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸-2-피롤리돈 아세톤, 클로로포름, 디클로로메탄, 트리클로로에틸렌, 에탄올, 메탄올, 노르말헥산 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.

지지체에 이온교환용액을 코팅하거나 함침한 후 건조하여 형성된 유로일체형 이온교환막에서 코팅층 두께는 0.1 ~ 200㎛, 바람직하게는 5 ~ 30 ㎛이나 이에 제한되지 않고 제조하고자 하는 모듈에 따라 조절할 수 있다. 다만, 이온교환막의 두께가 0.1 ㎛이하일 경우에는 이온교환막의 저항은 낮으나 선택성이 떨어져 탈염효율이 낮아질 수 있고, 200㎛ 이상일 경우 선택성을 좋으나 이온교환막의 저항이 증가하여 탈염효율이 낮아질 수 있으므로 이를 고려할 필요가 있다.

유로일체형 이온교환막은 함수율(moisture content)이 5 ~ 70%, 바람직하게는 10 ~ 50%이다. 함수율이 5%에 미치지 못하는 경우 막 저항이 높아 탈염효율이 낮아질 수 있고, 70%를 넘어서면 수중에서의 체널링 현상에 의한 탈염효율이 떨어질 수 있다.

본 발명의 유로일체형 이온교환막을 전극에 붙여 이온선택성을 가지는 축전식 탈염 전극을 제조할 수 있다. 본 발명의 양이온교환막과 음이온교환막 각각을 전극의 서로 다른 면에 부착하여 복극전극(bipolar electrodes)를 제조하여, 휨 현상이 없고 스택형 모듈을 만들 수 있다. 일반적으로 기존의 방법에 따라 복극 전극을 제조할 때, 복극전극의 양면에 서로 다른 극성의 이온교환용액을 코팅하는데, 극성이 다른 이온교환용액 제조에 사용되는 고분자의 물성이 다르기 때문에 건조시 휨 현상이 발생하게 된다. 그리고, 연속 제조공정시 생산 도중 끊어지는 현상이 잦으며, 스택형 모듈의 제조도 매우 어려운 문제가 있다. 그러나, 본 발명의 복극전극은 이러한 기존의 문제를 해결할 수 있다.

본 발명의 이온교환막은 서로 다른 극성의 이온교환막을 붙인 복극 전극막 제조 외에도, CDI(capacitive deionization) 모듈을 조립할 때 단극 또는 복극 모듈 등 목적하는 조립형태에 따라 전극의 양 면에 극성이 같은 이온교환막을 붙이거나 극성이 다른 이온교환막을 붙일 수 있다.

본 발명의 유로일체형 이온교환막을 붙인 탈염 전극은 이온교환막에 유로가 형성되어 있어 별도의 스페이서를 사용하지 않고 CDI(capacitive deionization) 모듈을 조립할 수 있다. 모듈 조립 형태는 단극 또는 복극 등 자유로우며 목적하는 조립 형태에 따라 전극에 이온교환막을 적절하게 붙여 사용할 수 있다.

본 발명의 유로일체형 이온교환막은 양이온교환기 또는 음이온교환기를 가지는 고분자수지를 유기용매에 용해하여 이온교환용액을 제조하는 단계, 이온교환용액을 지지체인 직포 또는 부직포에 코팅한 후 건조하는 단계로 제조할 수 있다. 이렇게 제조한 이온교환막으로 본 발명에서 목적하는 탈염 복극전극을 제조할 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 양이온교환기 및 음이온교환기를 가지는 고분자수지를 유기용매에 용해하여 양이온교환용액 및 음이온교환용액을 제조하는 단계, 양이온교환용액 및 음이온교환용액을 지지체인 직포 또는 부직포에 코팅한 후 건조하여 유로일체형 양이온교환막 및 음이온교환막을 제조하는 단계 및 양이온교환막 및 음이온교환막을 탄소전극의 서로 다른 면에 각각 붙이는 단계로 제조할 수 있다.

이온교환용액을 지지체에 코팅할 때, 용매에 용해되지 않는 이형필름 위에 지지체를 올려놓고 이온교환용액을 코팅하고 증발 건조 후, 이형필름을 제거하여 유로일체형 이온교환막을 제조할 수 있다. 이렇게 제조한 유로일체형 이온교환막은 지지체를 기준으로 이온교환이 일어나는 코팅층이 형성된 면과, 코팅층이 형성되지 않은 면이 구분된다.

탈염 전극을 제조할 때는 이온교환막에서 코팅층이 형성되지 않는 면쪽을 전극에 붙여 제조한다. 이렇게 제조한 탈염 전극은 이온선택성 용액이 전극에 코팅되지 않기 때문에 코팅에 의한 전극의 흡착사이트가 감소하지 않아 전극의 흡착 및 제거 효율을 높힐 수 있다. 그리고, 코팅층이 형성되지 않은 지지체 면이 전극과 붙기 때문에 전극 표면의 내구성도 향상시킬 수 있다. 또한, 탈염 전극 제조시 휨 현상도 발생하지 않고, 스택형 모듈 제조도 용이하다.

본 발명의 제조 방법에서 양이온 또는 음이온교환 용액 제조시 고형분인 이온교환 기능을 갖는 고분자의 함량은 1 ~ 30 중량%, 바람직하게는 3 ~ 10 중량%이다. 고형분 함량이 1 중량% 미만이면 양이온 또는 음이온교환 용액의 농도가 매우 낮기 때문에 용매의 증발시간이 길어질 수 있고 음이온교환 막의 두께가 얇아질 수 있다. 그리고, 고형분 함량이 30 중량%를 초과하면 음이온교환 용액의 농도가 높아지기 때문에 코팅이 어렵고 두께 조절 및 유로확보가 좋지 않아 유로일체형 이온교환막을 제조할 수 없다.

본 발명의 제조 방법에서 이온교환용액을 코팅할 때 이형필름 위에 이온교환막의 지지체인 직포 혹은 부직포를 놓고 코팅하고, 충분히 건조하여 이온교환막을 제조할 수 있다. 이 때, 코팅하는 이온교환용액의 농도에 따라 용매의 증발량이 결정되기 때문에 이온교환막의 두께와 유로의 깊이를 조절할 수 있다. 지지체를 놓는 이형필름은 소수성을 갖는 고분자 필름으로 건조하는 동안 열 변형이 일어나지 않는 것이 좋으며, 이온교환막을 형성한 후 이온교환막 층과 쉽게 분리될 수 있는 고분자 필름이면 제한되지 않고 사용할 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리아크릴레이트(Polyacrylate), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 에틸렌비닐아세테이트공중합체(EVA) 및 테프론(PTFE)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.

본 발명의 제조 방법에서 코팅은 캐스팅, 스프레이, 딥 코팅, 나이프 코팅, 닥터블레이드 및 스핀코팅 등에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 코팅할 수 있고 코팅 방법은 특별히 제한되지 않는다.

본 발명에 따라 유로일체형 이온교환막을 제조한 후, 이온교환막을 탄소전극에 붙이는 단계를 더 수행하여 축전식탈염 전극을 제조할 수 있다.

이온교환막을 탄소전극에 붙일 때, 이온교환막과 같은 극성의 이온교환용액을 코팅하여 접착시키거나 양이온과 음이온이 모두 잘 통과할 수 있는 다공질 비이온성 접착제나 점착제를 이용할 수 있다. 이 때, 이온교환용액은 지지체의 코팅에 사용한 양이온교환용액과 음이온교환용액을 의미하며, 탄소전극에 양이온교환 막을 붙일 때는 양이온교환 용액을 사용하고 음이온교환 막을 붙일 때는 음이온교환용액을 사용하는 것이 바람직하다. 다공질 비이온성 접착제나 점착제는 일반적으로 이온교환막을 탄소전극에 붙일 수 있는 접착제나 점착제면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 핫멜트(CoPA, CoPES, TPU, PE, PP<, EVA, Fatty acid PA, Reactive Hotmelt) 접착제, 수분산(천연고무, 초산비닐계, 라텍스계, 아크릴계, EVA계) 접착제, 융기용제에 합성수지나 고무가 용해되어 있는 용제형 접착제, 실리콘계 접착제, 에폭시계 접착제, 본드 등의 접착제나 점착제를 모두 사용할 수 있고, 건조 공정이 없이 열에 의해 쉽게 용해되어 융착할 수 있는 핫멜트 접착제를 사용하는 것이 바람직하다.

이온교환막을 탄소전극에 붙일 때, 탄소전극의 표면과 유로일체형 이온교환막의 지지체에서 코팅층이 형성되지 않은 쪽의 매끄러운 표면을 압착하여 붙이며 접착력을 증가시키기 위해 가열이 가능한 프레스를 사용할 수 있다. 접착제의 도포방법의 코팅, 스프레이, 전기방사, 다공성 웹(Web)을 만들어 탄소전극에 도포할 수 있는 방법이면 제한되지 않는다. 도포한 후 이온교환막의 지지체의 코팅층이 형성되지 않은 매끄러운 부분을 마주보도록 하여 접착제의 유리변형온도(Glass transition temperature; Tg)이상 용융온도 이하로 압착 가열하여 붙이는 것이 바람직하나 부착할 수 있는 방법이면 제한되지 않고 사용할 수 있다.

본 발명에서 이온교환막을 붙이는 탄소전극은 고분자수지를 유기용매에 용해하거나 수분산 고분자용액으로 바인더 용액을 제조하는 단계, 바인더 용액에 전극활물질을 첨가하여 슬러리를 제조하거나 캘린더링 가공을 하기 위한 반죽하는(kneading) 단계, 슬러리를 집전체에 도포하여 탄소전극을 만들거나 반죽을 캘리더링 가공하여 탄소시트(carbon sheet)를 집전체에 붙여 탄소전극을 만드는 단계 및탄소전극을 일정한 두께를 갖도록 프레스하는 단계를 통해 제조할 수 있다.

탄소전극 제조 방법 중 고분자 바인더 용액을 제조하는 단계에서 고분자수지 용액은 활물질과 혼합하여 전극을 제조할 수 있는 고분자수지를 의미하며, 유기용매에 용해되거나 수분산 에멀젼 용액의 상태 수지라면 제한되지 않고 사용할 수 있다. 예를 들면, 폴리스티렌, 폴리술폰, 폴리이서술폰, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리에테르, 폴리에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리글리시딜메타크릴레이트, 폴리비닐디플로라이드(PVDF), 폴리스타이렌브타디엔러버(SBR), 폴리테트라플로라이드에틸렌(PTFE) 및 폴리우레탄(PU) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 고분자 수지의 중량평균분자량은 10,000 ~ 4,000,000, 바람직하게는 100,000 ~ 1,500,000이고, 이 범위의 고분자수지를 사용했을 때 전극슬러리의 점도 및 전극활물질을 결합해 주는 특성이 우수하나 이에 제한되는 것은 아니다.

탄소전극 제조 방법 중 고분자 바인더 용액 제조에서 유기용매는 고분자 수지의 종류에 따라 선택하여 사용할 수 있다. 상술한 고분자 수지가 용해되는 유기용매로는 디메틸포름아마이드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸-2-피롤리돈 아세톤, 클로로포름, 디클로로메탄, 트리클로로에틸렌, 에탄올, 메탄올 및 노르말헥산 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용 가능하나 이에 제한되는 것은 아니다.

탄소전극 제조 방법 중 고분자 바인더 용액 제조에서 고형분인 탄소중량 대비 바이더로 사용되는 고분자의 함량은 1 ~ 30중량%, 바람직하나 3~10중량%이다. 고형분 함량이 1중량% 미만이거나 30 중량%를 초과하는 경우는 고분자 용액의 점도가 너무 낮거나 너무 높아 이 후 전극슬러리를 만들거나 캘린더링에 의한 탄소시트를 만들기 위한 반죽의 제조가 용이하지 않을 수 있다.

탄소전극 제조 방법 중 고분자 바인더 용액에 전극활물질을 첨가하는 과정은 비표면적이 높은 전극활물질을 첨가함으로써, 전극의 비표면적과 축전용량을 보다 향상시킬 수 있다. 그리고, 전도성물질을 더 첨가하여 전극의 전기전도도를 보다 향상시킬 수도 있다.

전극활물질은 비표면적이 높은 활성탄소계열의 물질로서, 활성탄소 분말, 활성탄소 섬유, 카본 나노 튜브, 탄소 에어로겔 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 분말로 제조하여 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 그리고, 금속산화물 계열의 물질로서 RuO₂, Ni(OH)₂, MnO₂, PbO₂, TiO₂ 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.

전극활물질은 전극 모듈에서 목적하는 물성에 따라 입자 크기나 함량 범위를 조절하여 사용할 수 있다. 전극활물질의 입자크기는 평균입경이 10㎛ 이하, 바람직하게는 10nm ~ 10㎛을 사용하여 전극의 비표면적과 축전용량을 증가시킬 수 있다. 전극활물질의 함량은 이온교환작용기를 갖는 고분자물질 20 중량부에 대하여, 600 ~ 900 중량부 범위로 사용하여 좋은 이온선택성 및 축전용량이 높은 전극을 제조할 수 있다.

전극활물질과 함께 추가할 수 있는 전도성 물질은 전기저항이 낮은 물질이라면 제한하지 않고 사용할 수 있다. 예를 들면, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, XCF 카본, SRF 카본 등의 전도성 카본블랙을 사용할 수 있다. 전도성물질도 전극 모듈에서 목적하는 물성에 따라 입자 크기나 함량 범위를 조절하여 사용할 수 있다. 전도성 물질의 평균입경은 1 ㎛ 이하, 바람직하게는 10nm ~ 1㎛를 사용하여 전극의 전기전도도를 높일 수 있다. 전도성물질의 함량은 전극활물질 100 중량부에 대하여, 1 ~ 10 중량부 범위로 사용하는 것이 전극의 전기전도도와 축전용량을 높이는데 좋다.

전극활물질과 고분자 바인더 용액을 혼합하여 슬러리를 제조하거나, 균일하게 섞어 반죽 덩어리로 만드는 혼련을 할 수 있다.

전극활물질과 고분자 바인더 용액은 균일하게 섞어 반죽 덩어리로 만드는 혼련(kneading)할 때, 각각의 성분들을 순차적으로 계량하여 첨가한 후 가압 분산 혼련기를 이용하여 혼련할 수 있다. 혼련 온도와 시간은 바인더의 종류에 따라 정해질 수 있다. 전극활물질 및 참가제 등의 원료는 우선 건식 혼련이 된 후 바인더 용액을 혼련하며, 전극활물질 혼합물에 액상의 바인더가 함침된 상태가 된다. 이때 혼련기를 혼련온도까지 승온하며, 승온온도 바인더의 연화점 이상으로 하되 승온온도가 너무 낮으면 바인더의 점도가 높아져 혼합이 곤란해지므로 통상 연화점보다 10℃ 이상, 바람직하게는 연화점 보다 20℃ 이상이다. 가열온도가 너무 높으면 바인더의 분해에 의해 갤린더 가공을 위한 반죽 덩어리가 잘 만들어지지 않고 너무 낮으면 혼련하는 시간이 길어진다. 혼련기는 교반 날개를 갖는 기종이나 롤(roll)혼련기가 바람직하나 균일하게 혼련이 될 수 있는 것이라면 이에 한정되지 않는다. 혼련기에 투입하는 원료의 양은 통상 혼합기 용적의 10체적 % 이상하는 것이 좋으나 바람직하게는 15 ~ 50 체적 %로 하는 것이 좋다. 혼련시간은 5분 ~ 5시간이 필요하나 좋게는 큰 점성변화를 초래하는 시간까지로 통상 30 ~ 120분 이다. 얻어진 혼련물은 그대로 캘린더 가공에 사용해도 되는데 바람직하게는 핸들링하기 쉽도록 일정한 크기로 성형하여 제공하는 것이 좋다. 성형방법은 형상을 유지하는 것이 가능하면 특별히 제한은 없다.

탄소전극 제조 방법 중 슬러리를 집전체에 도포할 때, 집전체는 전원공급 장치를 통해 제조한 전극에 전류를 공급했을 때 전기장이 전극표면에 균일하게 분포할 수 있도록 전도성이 우수한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 알루미늄, 니켈, 구리, 티타늄, 철, 스테인레스 스틸, 흑연 또는 이들의 혼합물을 포함하는 시트, 박막 또는 평직금망 형태를 사용할 수 있다. 도포 방법은 특별히 제한되지 않고 스프레이, 딥 코팅, 나이프 캐스팅, 닥터블레이드, 스핀코팅 등으로 도포 가능하며, 도포두께는 50 ~ 300 ㎛ 범위로 하는 것이 전극의 전기저항을 줄이면서 탈염 효율을 높이는데 바람직하다. 필요에 따라, 슬러리 도포 방법은 한번 이상 반복하여 목적하는 특정 두께의 전극을 제조할 수 있다.

탄소전극 제조 방법 중 반죽(kneading)한 혼련물을 캘린더링(calendaring) 가공할 때 캘린더의 롤 표면 온도는 바인더의 종류에 따라 결정된다. 바람직한 온도는 바인더의 유리전이온도(glass transition temperature) 이상 용융온도(melting temperature) 이하이다. 캘린더 롤 표면의 온도가 용융온도를 초과하여 높아지면 수지의 연화가 활발해져 롤 표면의 시트가 달라붙고 롤 제조시 장력이 약해져 시트가 절단되는 현상 때문에 외인딩(winding) 작업이 어렵고 따라서 시트를 롤 형태로 제조하기 어려울 수 있다. 한편, 캘리더의 롤 표면 온도가 유리전이온도 미만으로 낮으면 수지가 연화되지 않아 시트의 표면이 불균일해지고, 두께를 200㎛ 이하의 시트를 제조하기가 어려울 수 있다.

전극활물질 시트를 롤 프레스(roll press)로 집전체에 압착하여 전극을 만들 때 롤 프레스의 표면 온도는 바인더의 종류에 따라 다를 수 있다. 바인더의 유리전이온도이상 용융온도 이하에서 하는 것이 좋고, 보다 적합하게는 유리전이온도 보다 20℃높은 온도에서 하는 것이 좋다.

탄소전극 제조 방법 중 탄소전극을 일정한 두께를 가지도록 프레스할 때, 전극표면의 평할성 등을 위하여 필요에 따라서 프레스하는 단계를 더 구비할 수 있다. 프레싱 시 압축율은 제조한 탄소전극의 두께의 0 ~ 30 % 정도를 압축하는 것이 바람직하다. 압축율이 30%를 초과하는 경우 전극표면과 전극활물질의 밀도는 좋아지나, 단단해져서 부서지기 쉬우며 따라서 취급이 어렵울 수 있다. 보다 바람직하게는 압축율이 1~25%로 하여 전극의 표면이 균일하고 전극활물질의 밀도를 충분하게 할 수 있어 전극특성의 재현성이 우수하게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 축염식 탈염 전극은 다음과 같이 구체적인 일 양태에 따라 제조할 수 있다. (a) 양이온교환기 또는 음이온교환기를 가지는 고분자수지를 유기용매에 용해하여 양이온 또는 음이온교환 용액을 제조하는 단계, (b) 양이온과 음이온교환 용액을 지지체에 함침한 후 증발 건조하여 유로일체형 양이온교환 막과 음이온교환 막을 제조하는 단계, (c) 고분자수지를 유기용매에 용해하거나 수분산 고분자용액으로 바인더 용액을 제조하는 단계, (d) 바인더 용액에 전극활물질을 첨가하여 슬러리를 제조하거나 캘린더링 가공을 하기 위한 반죽하는(kneading) 단계, (e) 슬러리를 집전체에 도포하여 탄소전극을 만들거나 반죽을 캘리더링 가공하여 탄소시트(carbon sheet)를 집전체에 붙여 탄소전극을 만드는 단계, (f) 탄소전극을 일정한 두께를 갖도록 프레스하는 단계 및, (g) 위의 (b) 단계의 유로일체형 이온교환막과 위의 (f) 단계의 탄소전극 붙여 이온선택성을 갖는 축전식탈염 전극을 만드는 단계로 제조할 수 있다. 그리고, 이렇게 제조한 축전식탈염 전극을 사용하여 CDI(capacitive deionization) 전극 모듈을 제조할 수 있다.

이하에서 본 발명을 실시하기 위해 보다 구체적인 실시예에 대하여 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 실시하기 위한 바람직한 실시예로서 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.

이온교환 막 특성 측정 방법

1. 이온교환용량

이온교환용량을 측정하기 위하여 1 N NaOH 수용액과 1 N HCl 수용액을 이용한 산염기 적정에 의하여 이온교환용량을 다음과 같은 식에 의해 측정하였다. 음이온교환막의 경우 NaOH, HCl의 순서를 바꾸어 실시하였다.

IEC: 이온교환용량(meq/g)

IEC(meq/g)= (VHCl×NHCl)-5(VNaOH×NNaOH) /Weight of sample(g)

VHCl:HCl의 부피 (ml), VNaOH: NaOH의 부피(ml)

NHCl: HCl의 농도(N), NNaOH : NaOH의 농도(N)

2. 막 저항

이온교환 수지 막의 전기저항을 측정하기 위하여 2-compartment cell을 사용하였다. 막을 일정크기(5×5 cm)로 절단하여 전기화학 셀에 끼운 후 0.1 M NaCl 용액에서 전기저항을 측정(R1)한 후 막을 제거하고 전해질 용액만의 저항을 측정(R2)하여 전기저항값(ER)을 구하였다.

막 저항(Ω·m²) = (R1 - R2)·A

R: 저항(Ω), A: 면적(m²)

3. 함수율

이온교환 수지 막을 일정크기(5 × 5 cm)로 절단한 후 0.1 M NaCl 용액에 침적시켜 충분히 팽윤시킨 다음 이온교환막 표면의 수분(free water)를 제거한 후 MX-50 수분분석기를 사용하여 무게를 측정하였고 다음 식에 의해 함수율(WC)을 계산 하였다.

WC(%) = (Wwet - Wdry)/Wdry x 100

WC: 물의 함량(%),

Wwet: 처음 습윤상태에서의 막 무게(g),

Wdry: 건조후의 무게(g)

4. 이온교환막의 단면 측정 방법

전자주사현미경(SEM)으로 이온교환막의 두께 및 유로의 깊이를 측정하였다.

[ 실시예 1]

유로일체형 양이온선택성 전극을 제조하였다.

실시예 1-1. 양이온교환 용액의 제조

둥근바닥 4구 플라스크에 PPO(Polyphenylene oxide) 10g 및 클로로포름(Chloroform) 90g을 용해하고, CSA(chlorosulfonic acid) 2.5g을 투입한 후 60℃ 5시간동안 반응시켰다. 반응물을 얼음물에 침전 분리하고 세정하여 80℃ 진공 오븐에서 건조한 후 디메틸아세트아마이드(dimethylacetamide; DMAc)에 녹여 메탄올에 재침전시키는 과정을 3번 반복하여 잔류 황산을 제거하고 건조하여 술폰화된 PPO(sulfonated PPO; SPPO)의 양이온교환수지를 제조하였다. 건조된 술폰화된 PPO를 DMAc에 넣어 고형분 함량이 10 중량%인 양이온교환 용액을 제조하였다.

실시예 1-2. 유로일체형 양이온교환막 제조

양이온교환 막은 100㎛ 두께의 PET 필름(SK 케미컬) 위에 두께가 100㎛의 직포 (120 mesh, 폴리아미드) 지지체의 4곳 모서리를 고정하고 실시예 1-1에서 만들어진 양이온교환 용액을 200㎛ 되도록 닥터 블래이드로 코팅한 후 상온에서 1시간, 50℃에서 5시간 80℃ 3시간 50℃상기, 상온에서 1시간 동안 순차적으로 5단계로 건조한 후 완전히 건조하기 위해 50℃에서 10시간 동안 건조하여 PET 필름과 분리하여 유로 일체형 양이온교환 막을 제조하였다.

실시예 1-3. 탄소전극의 제조

폴리비닐리덴디플로라이드(PVdF, Aldrich, Mw = 1,800,000)0.4g, 디메틸아세트아마이드 40g을 혼합하여 고분자 용액을 제조하고, 상기 고분자 용액에 활성탄소 분말(P-60, 대동 AC(주), 비표면적 = 1600㎡/g) 9.6g을 혼합하여 전극슬러리를 제조 하였다. 제조된 슬러리를 각각 전도성 흑연 시트(두께: 130㎛, 동방카본(주), Cat. No. F02511C) 위에 닥터블레이드(Doctor blade)로 한 면의 코팅층 두께가 200 ㎛가 되도록 코팅한 후 70℃에서 30분 건조하여 탄소전극을 제조하였다.

실시예 1-4. 유로일체형 양이온선택성 전극 제조

실시예 1-2에서 만든 유로일체형 양이온교환 막의 매끄러운 부분과 실시예 1-3에서 제조한 탄소전극 사이에 핫멜트 접착제 웹(web)(10g/m2, (주)케미텍코리아)을 넣고, 핫 프레스(hot pressor)의 120℃에서 1분 동안 0.2 kgf로 압착하여 양이온선택성을 갖는 유로일체형 음극을 제조하였다.

[ 실시예 2]

유로일체형 음이온선택성 전극을 제조하였다.

실시예 2-1. 음이온교환 용액의 제조

둥근바닥 4구 플라스크에 PPO(Polyphenylene oxide) 12.0g 및 클로로벤젠(Chlorobenzene) 88.0g을 용해하고, CMME(Chloro methyl methyl ether) 4.4g을 넣고 130℃에서 3시간 동안 반응한 후 실온으로 냉각하고 메탄올에 침전 분리하였으며, 합성물을 NMP(1-Methyl-2-pyrrolidinone)에 용해한 후 TMA(Trimethyl ammonium chloride) 1.5mol과 상온에서 반응하여 메탄올 침전/분리하여 상온에서 진공건조 하였다. 상기의 합성된 음이온교환수지를 NMP에 넣어 고형분 함량이 10 중량%인 음이온교환 용액을 제조하였다.

실시예 2-2. 유로일체형 음이온교환막 제조

음이온교환 막은 100㎛ 두께의 PET 필름(SK 케미컬) 위에 두께가 100㎛의 직포 (120 mesh, 폴리아미드) 지지체의 4곳 모서리를 고정하고 실시예 2-1에서 만든 음이온교환 용액을 200㎛ 되도록 닥터 블래이드로 코팅한 후 상온에서 1시간, 50℃에서 5시간 80℃ 3시간 50℃상기, 상온에서 1시간 동안 순차적으로 5단계로 건조한 후 완전히 건조하기 위해 50℃에서 10시간 동안 건조하여 PET 필름과 분리하여 유로 일체형 음이온교환 막을 제조하였다.

실시예 2-3. 탄소전극의 제조

실시예 2-4. 유로일체형 음이온선택성 전극 제조

실시예 2-2에서 만든 유로일체형 음이온교환 막의 매끄러운 부분과 실시예 2-3에서 제조한 탄소전극 사이에 핫멜트 접착제 웹(web)(10g/m², (주)케미텍코리아)을 넣고, 핫 프레스 (hot pressor)의 120℃에서 1분 동안 0.2 kgf로 압착하여 음이온선택성을 갖는 유로일체형 양극을 제조하였다.

[ 비교예 1]

탄소전극을 양이온교환 용액으로 코팅한 코팅형 전극을 비교예 1로 제조하였다.

실시예 1-1에서 만든 양이온교환 용액을 실시예 1-3에서 제조한 탄소전극에 20㎛정도의 코팅층이 형성되록 닥터블레이드로 코팅하여 80℃에서 1시간 동안 건조하여 양이온선택성 코팅 층을 갖는 음극을 제조하였다.

[ 비교예 2]

탄소전극을 음이온교환 용액으로 코팅한 코팅형 전극을 비교예 2로 제조하였다.

실시예 2-1에서 만든 양이온교환 용액을 실시예 2-3에서 제조한 탄소전극에 20㎛정도의 코팅층이 형성되록 닥터블레이드로 코팅하여 80℃에서 1시간 동안 건조하여 음이온선택성 코팅 층을 갖는 양극을 제조하였다.

[ 비교예 3]

상업용 양이온교환 막 전극을 비교예 3으로 제조하였다.

상업용 양이온교환 막(CMX, Astom사)과 실시예 1-3에서 제조한 탄소전극 사이에 핫멜트 접착제 웹(web)(10g/m2, (주)케미텍코리아)을 넣고, 핫 프레스 (hot pressor)의 120℃에서 1분 동안 0.2 kgf로 압착하여 양이온선택성을 갖는 유로일체형 음극을 제조하였다.

[ 비교예 4]

상업용 음이온교환 막 전극을 비교예 4로 제조하였다.

상업용 음이온교환 막(AMX, Astom사)과 실시예 2-3에서 제조한 탄소전극 사이에 핫멜트 접착제 웹(web)(10g/m2, (주)케미텍코리아)을 넣고, 핫 프레스 (hot pressor)의 120℃에서 1분 동안 0.2 kgf로 압착하여 음이온선택성을 갖는 유로일체형 양극을 제조하였다.

[ 실시예 3]

실시예 1, 2 및 비교예 1~4에서 제조한 각 이온교환막의 형태(도 1 내지 3)와 특성([표 1])을 비교하였다. 도 1에는 실시예 1-2에서 만든 유로일체형 이온교환막을 나타내었고, 도 2에는 실시예 2-2에서 만든 유로일체형 탈염전극을 나타내었으며, 도 3에는 비교예 1에서 만든 코팅형 탈염전극의 전자주사현미경 사진을 나타내었다.

[표 1]

[ 실시예 4]

실시예 1, 2 및 비교예 1~4에서 제조한 전극으로 탈염 전극 셀을 제조하여 탈염 특성을 평가하였다.

실시예 1에서 제조한 전극을 음극으로 사용하고 실시예 2에서 제조한 전극을 양극으로 사용하여 유로일체형 탈염 전극 셀을 제조였다. 비교예 1에서 제조한 전극을 음극으로 사용하고 비교예 2에서 제조한 전극을 양극으로 사용하여 코팅 전극의 탈염 전극 셀을 제조하였다. 비교예 3에서 제조한 전극을 음극으로 사용하고 비교예 4에서 제조한 전극을 양극으로 사용하여 상용막 탈염 전극 셀을 제조하여 비교하였다. 유로일체형 전극이나 코팅전극을 10 x 10cm² 절단한 후 유로일체형은 양극과 음극사이에 스페이서 없이 서로 맞대어 장착하고 코팅전극은 양극과 음극사이에 두 전극이 접촉되는 것을 방지하면서 유체가 통과할 수 있도록 100㎛ 두께의 스페이서(120 mesh, 폴리아미드)를 장착하였다. 전극의 중앙에 1cm의 구멍을 뚫어 용액이 전극의 사면에서 스페이서를 통과해 중앙으로 빠져 나갈 수 있도록 하였다. 양극과 음극의 외부에 15 x 15cm² 크기의 아크릴 판을 대고 볼트로 고정하여 축전식 탈염용 단일 셀을 구성하였다.

전극전위를 1.5 V로 일정하게 인가하면서 250mg/L의 NaCl 용액을 30mL/min의 속도로 공급하였다. 유출수의 TDS(Total dissolved solid)의 변화를 측정하여 탈염효율을 분석하였다. 3분 동안 흡착시킨 후 전극전위를 1분 동안 쇼트, 50초 동안 역전위 10초 동안 휴지기로 변화시켜 가면서 탈착시키는 방식으로 운전하였다. 제조된 셀로 탈염실험을 진행 한 결과를 도 4에 TDS 변화곡선과 염 제거율(%)로 나타내었다.

코팅형 전극의 경우 탈염효율이 가장 높은 85%이고, 일체형 전극의 경우 코팅형 전극 84%의 제거효율을 갖는 것을 확인할 수 있었으며, 상업용 이온교환막을 사용할 경우 가장 낮은 81%의 제거효율을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이처럼 일체형 전극을 사용할 경우 스페이서를 사용하지 않고 셀을 조립할 수 있고 코팅형태의 전극과 유사하게 높은 제거효율을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 얇고 무게가 가벼운 스페이서 적층이 어려워 모듈스텍의 조립공정이 복잡하였는데 스페이서를 사용하지 않고 모듈 스텍을 조립할 수 있어 매우 간단해진 것을 확인할 수 있었다. 그러므로 일체형 이온교환막의 제조를 통해 이온선택성을 갖는 유로일체형 축전식탈염 전극을 제조할 수 있었으며, 또한 이들 전극이 상업용 이온교환막을 사용한 경우보다도 더 탈염효율이 좋은 것을 확인 할 수 있다.

[ 실시예 5]

실시예 1-2 및 2-2로 제조한 이온교환막을 실시예 1-3 또는 1-4로 제조한 탄소전극의 양면에 부착시켜 서로 다른 극성의 이온교환막이 전극의 양면에 부착된 복극전극을 제조하였다. 부착 방법은 실시예 1-4 또는 2-4에 따라 부착하였다. 제조한 복극전극은 휘어짐이 없어 롤-투-롤(roll-to-roll) 연속 생산 공정이 가능하고, 양면에 서로 다른 극성을 가지는 복극전극이므로 산업용 대용량 모듈을 만드는데 적합하다(도 5).

그리고, 실시예 1-1 및 2-1로 제조한 이온교환용액을 실시예 1-3 또는 1-4로 제조한 탄소전극의 양면에 각각 코팅하여 서로 같은 극성의 전극 및 서로 다른 극성의 복극전극을 제조하였다. 코팅 방법은 비교예 1 또는 2에 따라 코팅하였다. 그 결과, 탄소전극의 양면에 각각 서로 다른 이온교환용액으로 코팅하여 제조한 복극전극의 경우 이온교환용액의 특성이 달라 전극이 한쪽으로 휘어지는 현상이 발생하였고, 이러한 현상은 롤-투-롤 연속 생산 공정에서 전극의 휘어지는 현상에 의해 중간 부분이 끊어지게 되므로 생산이 어려웠다(도 6). 탄소전극의 양면에 각각 동일한 이온교환용액을 코팅하게 되는 경우 전극이 휘지않고, 롤-투-롤 생산이 가능하나 산업용 대용량 모듈을 만들기 위해서는 복극 형태의 전극 제조가 필요하다(도 7).

Claims

양이온교환기(cation exchange group)를 가지는 고분자 수지를 유기용매에 녹여 제조한 양이온교환용액을 이형필름 위에 놓인 직포 또는 부직포에 코팅한 후 건조하고, 이형필름을 제거하여 제조한 이온교환이 일어나는 코팅층이 형성된 면과 코팅층이 형성되지 않은 면이 구분되는 유로일체형 양이온교환막;
음이온교환기(anion exchange group)를 가지는 고분자 수지를 유기용매에 녹여 제조한 음이온교환용액을 이형필름 위에 놓인 직포 또는 부직포에 코팅한 후 건조하고, 이형필름을 제거하여 제조한 이온교환이 일어나는 코팅층이 형성된 면과 코팅층이 형성되지 않은 면이 구분되는 유로일체형 음이온교환막;
상기 양이온교환막 및 음이온교환막을 전극의 서로 다른 면에 각각 부착한 유로일체형 축전식 탈염 복극전극.
제1항에 있어서,
상기 직포 또는 부직포는 폴리아미드계(polyamide series), 폴리에틸렌계(Polyethylene series), 폴리프로필렌계(polypropylene series), 셀룰로스계(cellulose series), 아크릴계 (polyacryl series), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에스테르계(polyester series) 및 천연섬유로 이루어진 군에서 선택되는 고분자로 형성된 것인 탈염 복극전극.
제1항에 있어서,
상기 양이온교환기는 술폰산기(-SO₃H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO₃H₂), 포스피닉기(-HPO₂H), 아소닉기(-AsO₃H₂) 및 셀리노닉기(-SeO₃H)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 양이온교환기인 탈염 복극전극.
제1항에 있어서,
상기 음이온교환기는 4급 암모늄염(-NH₃), 1급 아민(-NH₂), 2급 아민(-NHR), 3급 아민(-NR₂), 4급 포스포니움기(-PR₄) 및 3급 술폰니움기(-SR₃)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 음이온교환기인 탈염 복극전극.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 탈염전극을 하나 이상 포함하는 CDI(capacitive deionization) 전극 모듈.
양이온교환기 및 음이온교환기를 가지는 고분자수지를 유기용매에 용해하여 양이온교환용액 및 음이온교환용액을 제조하는 단계;
양이온교환용액 및 음이온교환용액을 용매에 용해되지 않는 이형필름 위에 놓인 직포 또는 부직포에 코팅한 후 건조하고, 이형필름을 제거하여 유로일체형 양이온교환막 및 음이온교환막을 제조하는 단계; 및
상기 양이온교환막 및 음이온교환막을 탄소전극의 서로 다른 면에 각각 붙이는 단계;
를 포함하는 유로일체형 축전식 탈염 복극전극을 제조하는 방법.
제6항에 있어서,
상기 이온교환용액 제조시 고형분 함량이 1 내지 30 중량%인 탈염 복극전극을 제조하는 방법.
제7항에 있어서,
이온교환용액의 코팅으로 형성되는 코팅층의 두께가 0.1 내지 200㎛인 탈염 복극전극을 제조하는 방법.