KR102093443B1 - 전기 흡착 탈이온 장치 및 이를 사용한 유체 처리 방법 - Google Patents

전기 흡착 탈이온 장치 및 이를 사용한 유체 처리 방법 Download PDF

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Abstract

공급 이온의 정전기적 흡착을 위한 표면을 가지는 전극 재료를 포함한 적어도 한 쌍의 다공성 전극들; 및 상기 한 쌍의 전극들 사이에 배치되어 이들 간의 유체의 흐름을 위한 경로를 형성하고 전기 절연성 재료를 포함하며, 표면에 이온 교환기를 가지는 스페이서 구조물을 포함하는 전기 흡착 탈이온 장치가 제공된다.

Description

전기 흡착 탈이온 장치 및 이를 사용한 유체 처리 방법{CAPACITIVE DEIONIZATION APPARATUS AND METHODS OF TREATING FLUID USING THE SAME}
전기 흡착 탈이온 장치 및 이를 사용한 수처리 방법에 관한 것이다.
지역에 따라, 가정용수(domestic water)도 높은 함량의 미네랄을 포함할 수 있다. 특히, 석회암 성분이 지하수로 많이 유입되는 유럽 등지에서는 수돗물 내의 미네랄 함량이 높다. 미네랄 함량이 높은 물(즉, 경수)을 가정용 설비, 예컨대 열 교환기 또는 보일러에 사용할 경우, 관 내벽에 스케일이 생기기 쉽고, 에너지 효율이 크게 감소하는 문제가 있다. 또, 경수는 세탁 용수로 사용하기에도 부적합하다. 이 때문에, 경수로부터, 특히 친환경적으로, 이온을 제거하여 연수로 만들 수 있는 기술이 요구되고 있다. 한편, 최근 물 부족 지역의 증가와 함께 해수의 담수화를 위한 기술에 대한 수요도 증가하고 있다.
전기 흡착 탈이온화 (Capacitive Deionization: CDI) 장치는, 나노 사이즈의 세공을 포함한 다공성 전극에 전압을 인가하여, 상기 전극이 극성을 띠게 함으로써, 경수 등의 매질로부터 이온성 물질을 전극 표면에 흡착시켜 제거하는 장치이다. CDI 장치에 있어서 양극 및 음극의 두 전극 사이로 용존 이온을 함유하는 매질이 흐르도록 하면서 낮은 전위차의 직류 전원을 인가하면 용존 이온 중에서 음이온 성분은 양극에, 양이온 성분은 음극에 흡착되어 농축된다. 한편, 두 전극을 단락시키는 등의 방법으로 두 전극 사이에 역방향의 전류가 흐르도록 하면 상기 농축된 이온들이 상기 각 전극으로부터 탈리된다. CDI 장치는 높은 전위차를 필요로 하지 않으므로 에너지 효율이 높고, 이온 흡착시 경도 성분과 함께 유해 이온까지 제거할 수 있으며, 재생 시 화학약품을 필요하지 않다.
본 발명의 일 구현예는 탈이온 효율이 향상된 전기 흡착 탈이온 장치에 관한 것이다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 전기 흡착 탈이온 장치를 위한 스페이서 구조물에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 구현예는 상기 전기 흡착 탈이온 장치를 사용하여 유체로부터 이온을 제거하는 방법에 대한 것이다.
본 발명의 일 구현예는, 공급 이온(feed ions)의 정전기적 흡착(electrostatic adsorption)을 위한 표면(surface area)을 가지는 전극 재료를 포함한 적어도 한 쌍의 다공성 전극들(porous electrode); 및 상기 한 쌍의 전극들 사이에 배치되어 이들 간의 유체의 흐름을 위한 경로를 형성하고 전기 절연성(electrically-insulating) 재료를 포함하는 스페이서 구조물(spacer structure)을 포함하되, 상기 스페이서 구조물은, 그 표면에 이온 교환기를 포함하는 전기 흡착 탈이온 장치를 제공한다.
상기 전기 흡착 탈이온 장치는, 상기 전극과 상기 스페이서 구조물 사이에 배치되고 상기 전극 재료와 다른 재료를 포함하는 전하 장벽(charge barrier)을 포함할 수 있다.
상기 전기 흡착 탈이온 장치에서, 상기 다공성 전극은 도전 조제 및 이온 전도성 바인더를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는, 전기 흡착 탈이온 장치에서 한 쌍의 전극들 사이에 배치되어 유체의 흐름을 위한 공간을 제공할 수 있는 스페이서 구조물로서, 상기 구조물은 전기 절연성 재료로 이루어지고, 상기 구조물의 표면에 이온 교환기를 포함하여, 20 mg/L NaCl 전해질 조건 하에 측정한 유효 직렬 저항(Equivalent Series Resistance: ESR)이 1 내지 300 옴(ohm)의 범위인 스페이서 구조물을 제공한다.
상기 스페이서 구조물은, 그 표면에 코팅된 이온 교환성 폴리머를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예는, 공급 이온의 정전기적 흡착을 위한 표면을 가지는 전극 재료를 포함한 적어도 한 쌍의 다공성 전극들; 및 상기 한 쌍의 전극들 사이에 배치되어 이들 간의 유체의 흐름을 위한 경로를 형성하고 전기 절연성 재료를 포함하는 스페이서 구조물을 포함하되, 상기 스페이서 구조물은, 그 표면에 이온 교환기를 포함하는 전기 흡착 탈이온 장치를 제공하는 단계; 및 상기 전기 흡착 탈이온 장치 내로 상기 유체의 흐름을 위한 경로를 통해 이온을 포함한 유체를 공급하면서, 상기 한 쌍의 전극 사이에 전압을 인가하여 상기 이온을 상기 전극에 흡착시켜 상기 유체로부터 제거하는 단계를 포함하는 유체 처리 방법을 제공한다.
상기 유체 처리 방법은, 상기 한 쌍의 전극을 단락시키거나 전극 사이에 역방향의 전압을 인가하여, 상기 전극에 흡착된 이온들을 탈리시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
전기 흡착 탈이온 장치의 이온 제거 효율을 높이면서, 더 낮은 전압에서 운전될 수 있도록 하여 고순도의 처리수를 환경과 비용의 측면에서 효과적인 방식으로 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일구현예에 따른 전기 흡착 탈이온 장치의 예들을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 제조예 1 및 비교 제조예 1에 따라 제조된 스페이서 구조물의, 전해질 농도에 따른 유효 직렬 저항의 변화를 도시한 그래프이다.
도 3은 제조예 2 및 비교 제조예 2에 따라 제조된 스페이서 구조물의, 전해질 농도에 따른 유효 직렬 저항 변화를 도시한 그래프이다.
도 4는 참고예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 전기 흡착 탈이온 장치를 사용하여 이온 흡착 제거 실험을 수행했을 때의 시간에 따른 전도도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 5는 실시예 4 및 비교예 4에 따라 제조된 전기 흡착 탈이온 장치를 사용하여 이온 흡착 제거 실험을 수행했을 때의 시간에 따른 전도도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6은 실시예 2 및 비교예 2에 따라 제조된 전기 흡착 탈이온 장치를 사용하여 이온 흡착 제거 실험을 수행했을 때의 시간에 따른 전도도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7은 실시예 3 및 비교예 3에 따라 제조된 전기 흡착 탈이온 장치를 사용하여 이온 흡착 제거 실험을 수행했을 때의 시간에 따른 전도도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 8은, 상이한 유량으로 이온 포함수를 공급하면서 실시예 3 및 비교예 3에 따라 제조된 전기 흡착 탈이온 장치를 사용하여 이온 흡착 실험을 수행한 경우, 시간에 따른 전도도 변화를 보여주는 그래프이고, 삽도는 상기 그래프 중 0 내지 100 초 부분을 확대하여 보여주는 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 구현예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 구현예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 구현예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 구현예들에서, 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
본 명세서에서 기술하는 구현예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 개략도를 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서, "전기 흡착 탈이온 장치" 라 함은, 적어도 한 쌍의 다공성 전극 사이에 형성된 유로(flow path)를 통해 1종 이상의 이온 성분을 포함하는 분리 대상 유체 혹은 농축 대상 유체를 통과시키면서 전압을 가하여 상기 전극 내에 포함된 세공에 상기 이온 성분들을 흡착시켜 분리/농축할 수 있는 장치를 말한다. 상기 전기 흡착 탈이온 장치는 임의의 기하학적 형태를 가질 수 있다.
본 명세서에서, "다공성 전극" 이라 함은, 도전 재료(electrically-conductive material)를 포함하여 이루어지고, 그 내부에 나노 규모 이상, 예컨대 0.5 nm 내지 5 ㎛의 세공을 포함하여 높은 비표면적을 가지는 도전성 구조물을 의미한다.
본 명세서에서, "이온 교환성 폴리머"라 함은, 폴리머 주쇄 또는 측쇄에 이온 교환기(ion exchangeable group)를 포함한 폴리머를 의미한다.
본 발명의 일 구현예에 따라 제공되는 전기 흡착 탈이온 장치는, 공급 이온의 정전기적 흡착을 위한 표면을 가지는 전극 재료를 포함한 적어도 한 쌍의 다공성 전극들; 및 상기 한 쌍의 전극들 사이에 배치되어 이들 간의 유체의 흐름을 위한 경로를 형성하고 전기 절연성 재료를 포함하는 스페이서 구조물을 포함하되, 상기 스페이서 구조물은, 그 표면에 이온 교환기를 포함한다.
상기 다공성 전극은 양극 또는 음극이다. 상기 다공성 전극은, 양이온 교환기를 가지는 음극 또는 음이온 교환기를 가지는 양극일 수 있다. 상기 전극의 두께는 특별히 제한되지 않으며, 적절히 선택할 수 있다. 예컨대, 상기 전극의 두께는, 약 50 ㎛ 내지 500 ㎛ 의 범위, 구체적으로는, 약 100 ㎛ 내지 300 ㎛ 의 범위일 수 있다.
상기 다공성 전극은, 집전체에 결합될 수 있다. 복수개의 전극 쌍을 포함하는 경우, 상기 집전체의 양쪽 면에 각각 전극이 결합될 수 있다. 상기 집전체는, 전원에 전기적으로 연결되어 전극에 전압을 인가하는 역할을 한다. 상기 집전체는, 흑연 플레이트 또는 그래파이트 호일이거나, 혹은 Cu, Al, Ni, Fe, Co, 및 Ti로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속, 금속 혼합물 또는 합금을 포함할 수 있다.
상기 전극 재료는 전기 이중층 정전 용량을 가지는 다공성 도전 재료를 포함하며, 이는 단독으로 혹은 혼합하여 사용될 수 있다. 비제한적인 예로서, 상기 다공성 도전 재료는, 활성탄, 에어로겔, 카본나노 튜브(CNT), 메조 다공성 카본 (mesoporous carbon), 활성 탄소 섬유, 흑연 산화물, 및 금속 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다. 상기 다공성 도전 재료는, 섬유상, 입자상, 또는 임의의 형태일 수 있다. 상기 다공성 도전 재료는, 약 500 내지 1500 ㎡/g, 구체적으로는 약 700 내지 1200 ㎡/g의 비표면적을 가질 수 있다.
상기 다공성 전극은, 전극의 도전성을 강화하기 위한 도전 조제를 더 포함할 수 있다. 상기 도전 조제는, 특별히 제한되지 않으며, 통상의 전극 제조에 사용되는 물질을 사용할 수 있다. 비제한적인 예로서, 상기 도전 조제는, 카본블랙, VGCF(Vapor Growth Carbon Fiber), 천연 흑연, 인조 흑연, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머 및 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다.
상기 다공성 전극은, 상기 다공성 도전 재료를 서로 연결시켜 연속적인 구조물을 형성케 하고 각각의 전극을 집전체에 잘 부착되게 하는 바인더를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 전극의 제조에 사용할 수 있는 통상의 바인더를 사용될 수 있다. 비제한적인 예로서, 통상의 바인더의 구체적 예들은, 폴리스티렌, 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리아미드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 폴리아크릴아미드, 및 이들의 혼합물을 포함한다.
대안적으로, 상기 다공성 전극은, 양이온 교환기를 가진 바인더를 포함하여 양이온 교환기를 가지는 음극으로 사용될 수 있다. 또 다른 대안으로서, 상기 다공성 전극은, 음이온 교환기를 가지는 바인더를 포함하여 음이온 교환기를 가지는 양극으로 사용될 수 있다. 비제한적인 예로서, 음이온 교환기 또는 양이온 교환기를 가지는 바인더는, 전술한 통상의 바인더용 폴리머의 주쇄 또는 측쇄에 술폰산기(-SO3H), 카르복실기 (-COOH), 포스포닉기(-PO3H2), 포스피닉기 (-HPO3H), 아소닉기(-AsO3H2), 셀리노닉기(-SeO3H)로 이루어진 군으로부터 선택되는 양이온 교환기를 포함한 폴리머이거나, 혹은 4급 암모늄염(-NH3), 1급 내지 3급 아민기(-NH2, -NHR, -NR2), 4급 포스포늄기(-PR4), 3급 술포늄기 (-SR3)에서 선택되는 음이온 교환기를 포함한 폴리머일 수 있다. 이러한 폴리머는 적절한 방법으로 합성할 수 있거나, 혹은 시판 중인 제품을 사용할 수 있다.
상기 한 쌍의 전극들 사이에 배치되는 상기 스페이서 구조물은, 상기 전극들 사이에 유체의 흐름을 위한 경로 (즉, 유로)를 형성하는 한편, 전기 절연성 재료를 포함하여, 상기 전극들 사이의 단락(shortage)을 방지하며, 상기 구조물의 표면에 도입된 이온 교환기를 포함한다.
상기 스페이서 구조물은 유로 형성 및 전극 단락 방지의 역할을 수행할 수 있는 임의의 재료로 형성될 수 있으며, 임의의 구조를 가질 수 있다. 비제한적인 예를 들어, 상기 스페이서 구조물은, 오픈 메쉬(mesh), 부직포, 직물, 또는 발포체(foam) 형태를 가질 수 있다. 비제한적인 예로서, 상기 스페이서 구조물은, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등의 폴리에스테르; 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀; 나일론 등의 폴리아미드; 폴리스티렌 등 방향족 비닐계 폴리머; 셀룰로오스, 메틸 셀룰로오스, 아세틸메틸 셀룰로오스 등 셀룰로오스 유도체; 폴리에테르에테르 케톤; 폴리이미드; 폴리비닐클로라이드 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 스페이서 구조물의 두께는, 특별히 제한되지 않으나, 유량 및 용액 저항의 측면을 고려하여, 약 50 ㎛ 내지 500 ㎛ 범위, 더 구체적으로는 100 ㎛ 내지 300 ㎛ 범위일 수 있다. 상기 스페이서 구조물의 개방 면적(open area)는, 유량 및 용액 저항의 측면을 고려하여, 약 20% 내지 80% 의 범위, 더 구체적으로는 30% 내지 50% 범위일 수 있다.
상기 스페이서 구조물은, 그 표면에 이온 교환기를 포함하여, 이를 통해 흐르는 유체의 용액 저항을 낮출 수 있다. 상기 이온 교환기는, 술폰산기(-SO3H), 카르복실기 (-COOH), 포스포닉기(-PO3H2), 포스피닉기 (-HPO3H), 아소닉기(-AsO3H2), 셀리노닉기(-SeO3H)로부터 선택되는 양이온 교환기이거나, 혹은 4급 암모늄염(-NH3), 1급 내지 3급 아민(-NH2, -NHR, -NR2), 4급 포스포늄기(-PR4), 및 3급 술포늄이기 (-SR3)로부터 선택되는 음이온 교환기일 수 있다.
전기 흡착 탈이온 장치를 사용하여 유체 내, 예컨대, 물 속에 존재하는 이온을 제거하고자 할 때, 처리하고자 하는 이온의 농도가 일정 수준 (예컨대 2000 ppm 이하)일 경우, 높은 효율로 제거할 수 있다. 그러나, 유입수 내의 이온 농도가 예컨대, 500ppm 이하로 비교적 낮은 경우에는 한 쌍의 전극 사이를 통과하는 물에 존재하는 이온 농도가 낮아서, 유로에 걸리는 용액 저항이 커지게 되고, 이에 따라 유로에서 발생하는 전압 강하(voltage drop)도 커진다. 그 결과, 상기 한 쌍의 전극에 인가되는 전압 중에 실제 이온의 흡착을 위해 구동력(driving force)으로 사용될 수 있는 구동 전압이 크게 감소되어, 흡착 효율이 낮아진다. 이로 인해, 전기 흡착 탈이온 장치를 이용하여 약 60 uS/cm 이하의 고순도 처리수를 얻는 것이 쉽지 않다. 본 발명의 일구현예에 따른 상기 전기 흡착 탈이온 장치의 경우, 전극 간의 단락 방지 및 유로 형성의 역할을 하는 스페이서 구조물이 그 표면에 이온 교환기를 가지고 있어, 비교적 낮은 농도의 유입수가 유로를 통과할 경우에도, 유로에 걸리는 용액 저항을 낮게 유지할 수 있고, 이에 따라 유로에서 발생하는 전압 강하를 감소시켜, 전체 탈이온 효율을 높일 수 있어, (예컨대, 이온 농도 15 ppm 이하의) 고순도의 처리수를 생산할 수 있고, 높은 유량 하에서의 운전도 가능하다.
표면에 이온 교환기를 가진 상기 스페이서 구조물은, 예를 들어, 이온 교환성 폴리머를 스페이서 구조물의 표면에 코팅함에 의해 제조할 수 있다. 이온 교환성 폴리머로서는, 설폰화된 테트라플루오로에틸렌계 플루오로 폴리머 또는 이의 코폴리머, 카르복실레이트 폴리머, 설포네이트화 폴리머(예컨대, 설포네이트화 폴리스티렌 등), 폴리에틸렌이민, 폴리(아크릴아미도-N-프로필트리메틸암모늄 클로라이드)(PolyAPTAC), 폴리(2-아크릴아미도-2-메틸-1-프로판설폰산)(PolyAMPS) 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 이온 교환성 폴리머는, 필요에 따라 합성할 수 있거나, 혹은 시판 중인 제품을 사용할 수 있다. 시판 중인 제품의 예로서는, Dupont사의 Nafion 등을 들 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 코팅에 의해 표면에 이온 교환기를 가진 스페이서 구조물을 제조하는 경우, 표면 코팅 두께는 약 0.5 ㎛ 내지 50 ㎛, 구체적으로는, 약 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 의 범위일 수 있다.
표면에 이온 교환기를 포함한 상기 스페이서 구조물은, 20 mg/L NaCl 조건 하에 측정한 유효 직렬 저항이 약 0.1 옴 내지 500 옴의 범위, 구체적으로는 약 1 내지 300 옴의 범위일 수 있다. 또, 표면에 이온 교환기를 포함한 상기 스페이서 구조물의 이온 교환 용량은, 약 0.01 meq/g 내지 10 meq/g 의 범위, 구체적으로는 약 0.1 meq/g 내지 1 meq/g 의 범위일 수 있다.
본 발명의 일구현예에 따른 상기 전기 흡착 탈이온 장치는, 상기 스페이서 구조물과 상기 다공성 전극 사이에 배치된 전하 장벽(charge barrier)을 더 포함할 수 있다. 상기 전하 장벽은, 양이온 선택성 투과막 또는 음이온 선택성 투과막일 수 있다. 상기 양이온 또는 음이온 선택성 투과막은 적절한 방법으로 제조될 수 있거나 혹은 시판 중인 제품을 사용할 수 있다. 상기 전기 흡착 탈이온 장치에서 사용할 수 있는 양이온 또는 음이온 선택성 투과막의 구체적인 예로서, Tokuyama사 제조의 Neosepta CMX 또는 Neosepta AMX 등을 들 수 있으나. 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전기 흡착 탈이온 장치는, 임의의 기하학적 구조로 형성될 수 있다. 비제한적인 예로서, 상기 전기 흡착 탈이온 장치는 도 1(A) 내지 도 1(C)에 나타낸 바의 개략적인 구조를 가질 수 있다. 이하, 이들 도면을 참조하여, 상기 전기 흡착 탈이온 장치를 설명한다. 도 1(A)를 참조하여 설명하면, 집전체(1)에 전극들 (2,2')이 코팅되고, 상기 전극들(2,2') 사이에 스페이서 구조물(3)이 삽입되어, 유로를 형성한다. 도 1(B)에 도시된 전기 흡착 탈이온 장치의 경우, 집전체(1)에 전극들(2, 2')이 코팅되고, 상기 전극들(2,2') 사이에 스페이서 구조물(3)이 삽입되어 유로를 형성하되, 양이온 선택성 투과막(4 또는 4') 및 음이온 선택성 투과막(4' 또는 4)이 상기 전극과 상기 스페이서 구조물 사이에 삽입되어 있다. 또, 도 1(C)에 도시된 장치의 경우, 집전체(1)에 전극들(2,2')이 코팅되고, 상기 전극들 (2,2') 사이에 스페이서 구조물(3)이 삽입되어 유로를 형성하되, 전극(2)는 음이온 (또는 양이온) 교환성 바인더를 사용한 양극 (또는 음극)이고, 전극(2')는 양이온 (또는 음이온) 교환성 바인더를 사용한 음극 (또는 양극)이다.
도 1(A) 내지 도 1(C)의 장치에서, 스페이서 구조체에 의해 형성된 상기 유로를 통해 유입수를 통과시키면서 상기 전극들 사이에 전압을 인가하면, 유입수 내에 존재하는 이온들이 정전기적 인력에 의해 전극에 흡착되어 제거된다. 따라서, 유입수의 입구 쪽에 비해 처리수 출구 쪽의 용액의 전기 저항이 높다. 예컨대, 유입수가 100 ppm 농도를 가지는 NaCl 용액이라면, 유입수의 전도도는 약 200 uS/cm에 해당하고 그 비저항은 약 5000Ωcm이다. 반면, 상기 장치로부터 배출되는 처리수가 약 70%의 이온이 제거되어 60 uS/cm 의 전도도를 가진다고 가정할 때, 출구 쪽의 처리수의 비저항은 약 16666.7Ωcm가 된다. 이처럼 출구 쪽 처리수의 이온 함량이 낮을수록 처리수의 전기저항은 더 커지게 된다. 한편, 물은 약 1.2V 이상의 전위에서 분해될 수 있기 때문에 전기 흡착 탈이온 장치를 작동함에 있어 이온 제거 효율을 높이기 위하여 전위를 수 볼트 이상으로 높일 수는 없다. 본 발명의 일 구현예에 따른 전기 흡착 탈이온 장치의 경우, 스페이서 구조물이 표면에 이온 교환기를 포함하기 때문에, 유로에 걸리는 용액 저항을 감소시킬 수 있고, 그 결과, 장치 구동에 필요한 전압을 낮출 수 있으며, 동일한 부피 대비 장치의 이온 제거 용량을 증가시킬 수 있고, 특히, 이온 함량이 낮은 물이 유로에 존재할 때에도 용액 저항을 비교적 낮은 수준으로 유지할 수 있어, 고순도의 처리수를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따라 제공된 스페이서 구조물은, 전기 흡착 탈이온 장치에서 한 쌍의 전극들 사이에 배치되어 유체의 흐름을 위한 공간을 제공하기 위한 것으로, 상기 구조물은 전기 절연성 재료로 이루어지고, 상기 구조물의 표면에 이온 교환기를 포함하여, 20 mg/L NaCl 조건 하에 측정한 유효 직렬 저항(ESR) 값이 1 내지 300 ohm 이다. 상기 스페이서 구조물에 대한 상세한 내용은 상기 전기 흡착 탈이온 장치에서 설명된 바와 동일하다.
본 발명의 또 다른 구현예는, (a) 공급 이온의 정전기적 흡착을 위한 표면을 가지는 전극 재료를 포함한 적어도 한 쌍의 다공성 전극들; 및 상기 한 쌍의 전극들 사이에 배치되어 이들 간의 유체의 흐름을 위한 경로를 형성하고 전기 절연성 재료를 포함하는 스페이서 구조물을 포함하되, 상기 스페이서 구조물은, 그 표면에 이온 교환기를 포함하는 전기 흡착 탈이온 장치를 제공하는 단계; 및 (b) 상기 전기 흡착 탈이온 장치 내로 상기 유체의 흐름을 위한 경로를 통해 이온을 포함한 유체를 공급하면서, 상기 한 쌍의 전극 사이에 전압을 인가하여 상기 이온을 전극에 흡착시키는 단계를 포함하는 유체 처리 방법을 제공한다.
상기 유체 처리 방법은, (c) 상기 한 쌍의 전극을 단락시키거나, 상기 한 쌍의 전극 사이에 역방향의 전압을 인가하여, 상기 흡착된 이온들을 탈착시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전기 흡착 탈이온 장치에 대한 상세한 내용은, 위에서 설명된 바와 같다.
상기 전기 흡착 탈이온 장치로 공급되는, 상기 이온을 포함한 유체는, 특별히 제한되지 않으며, 예컨대, 해수이거나, 혹은 칼슘이온 또는 마그네슘 이온을 함유한 경수일 수 있다. 상기 유체 처리 방법에서는, 상기 유체 중에 이온이 비교적 낮은 농도로 함유된 경우에도, 유로에 걸리는 용액 저항이 낮은 수준으로 유지될 수 있어 고순도의 처리수를 얻을 수 있다. 상기 유체를 공급하는 속도는 특별히 제한되지 않으며, 필요에 따라 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 속도는, 약 5 내지 50 ml/분의 범위일 수 있다.
상기 유체를 공급하면서 상기 전극에 직류(DC) 전압을 인가할 경우, 유체 내에 존재하는 이온이 상기 전극의 표면에 흡착된다. 인가 전압은 셀저항, 용액의 농도 등을 고려하여 적절히 선택할 수 있으며, 예를 들어, 약 2.5 V 이하, 구체적으로, 1.0 V 내지 2.0 V의 범위일 수 있다. 이러한 전압 인가 단계에서 유체의 이온 전도도 측정으로부터 구해지는 이온 제거 효율은, 약 50 % 이상, 구체적으로는 75 % 이상, 더 구체적으로는 90 % 이상일 수 있다.
상기 전기 흡착 탈이온 장치와 방법은, 물을 사용하는 대부분의 생활 가전 제품, 예컨대 세탁기, 식기 세척기, 냉장고, 연수기 등에 응용될 수 있으며, 가정용 수처리 장치, 산업 용수 처리 장치에 뿐만 아니라, 해수 담수화, 초수순 제조 등에서도 그 유용성을 찾을 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로써 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
[ 실시예 ]
스페이서 구조물의 제조 및 EIS 분석:
제조예 1:
5% Nafion 용액에 폴리아미드로 이루어진 메쉬 (메쉬 개방부(mesh opening): 125um, 메쉬 두께: 100um, 상품명: NITEX 03-125/45, Sefar AG))를 10 분 동안 함침시킨 후 상온에서 3 내지 4시간 동안 건조시킨 후, 이를 25 oC의 탈이온수로 24 시간 동안 세척하여, 표면에 양이온 교환기가 도입된 스페이서 구조물을 수득한다.
제조예 2:
폴리에틸렌 테레프탈레이트로 이루어진 메쉬 (메쉬 개방부: 120um, 메쉬 두께: 140um, 상품명 PETEX 07-120/34, Sefar AG)를 사용한 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법으로 표면에 양이온 교환기가 도입된 스페이서 구조물을 수득한다.
실험예 1: 스페이서 구조물의 전기 화학적 임피던스 분광(Electrochemical Impedance Spectroscopy: EIS) 분석
(1) 시료 준비
제조예 1 및 제조예 2에서 수득한 스페이서 구조물 및, Nafion 용액에 침지하지 않은 상응하는 메쉬 (비교 제조예 1: NITEX 03-125/45, 비교 제조예 2: PETEX 07-120/34)를 2M의 NaCl에 1시간 동안 침지한 후, 증류수로 세척하였다.
(2) EIS 측정
하기 조건으로 EIS를 측정하고, 그 결과를 도 2에 나타낸다:
- 메쉬 표면적: 1.13 ㎠
- 사용 전극: 스테인리스 강
- 전해질: 5 ~ 120 ppm NaCl
- 주파수: 1Hz ~ 1MHz
- 진폭 (amplitude): 5 mV
- DC 바이어스 전압: 0 V
도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, Nafion 코팅을 포함하는 스페이서 구조물(제조예 1 및 제조예 2)의 경우, Nafion 코팅을 포함하지 않는 비교 제조예 1 및 비교 제조예 2에 비해 훨씬 더 낮은 유효 직렬 저항을 나타내었고, 이러한 차이는 사용한 전해질의 농도가 낮을수록 크다. 따라서, 제조예 1 및 제조예 2의 스페이서 구조체는 이온 농도가 낮은 유체의 처리 시에도 이온 제거 효율을 높일 수 있다.
전기 흡착 탈이온 장치의 제작 및 이온 흡착 성능 평가
참고예 1: CDI 제조
1) 전극 제작: 활성탄 슬러리 코팅 전극
교반 용기에 활성탄 6g, 카본블랙 0.5g, 폴리비닐리덴플루오라이드 (PVdF) 1g, 디메틸아세트아미드 20g를 첨가하여 슬러리를 제조하였다. 슬러리를 전도성 흑연 시트에 코팅하고 건조한다.
2) 전기 흡착 탈이온 장치의 조립:
1)에서 제작된 활성탄 슬러리 코팅 전극을 양극과 음극으로 사용하고, 제조예 1에서 제조한 스페이서 구조물을 사용하여, 도 1에 나타낸 바와 같이 흑연 시트/활성탄 전극 코팅 (두께: 200 ㎛)/스페이서/활성탄 전극 코팅 (두께: 200 ㎛)/흑연 시트의 순으로 하우징 내에 적층하고 나사를 이용하여 하우징을 체결한다.
비교예 1:
스페이서 구조물로서, Nafion 코팅이 없는 폴리아미드 메쉬(상품명: NITEX 03-125/45, Sefar AG))를 사용한 것을 제외하고는, 참고예 1과 동일한 전극을 사용하여 동일한 방식으로 장치를 제조한다.
실시예 2:
1) 양이온 교환기를 가지는 음극의 제조
술폰화 반응을 통해 제조된 양이온 교환기를 가지는 폴리스티렌 1.0 g, 디메틸아세트아마이드 (DMAc) 20 g을 혼합하여 고분자 용액을 제조하고, 상기 고분자 용액에 활성탄소 분말 (비표면적= 1,600 m2/g) 6.0 g, 카본블랙 (평균직경= 19 nm) 0.5 g을 혼합하여 양이온 교환 전극 슬러리를 제조한다. 제조된 슬러리를 전도성 흑연시트 (두께 = 380 ㎛) 위에 닥터 블레이드 (Doctor Blade)로 한 면의 코팅층 두께가 200 ㎛가 되도록 코팅한 후 상온에서 건조하여 양이온 교환기를 가지는 음극을 제조한다.
2) 음이온 교환기를 가지는 양극의 제조
아민화 반응을 통해 제조된 음이온교환기를 가지는 폴리스티렌 1.0g, 디메틸아세트아마이드 (DMAc) 20g을 혼합하여 고분자 용액을 제조하고, 상기 고분자용액에 활성탄소 분말 (비표면적= 1,600m2/g) 6.0g, 카본블랙 (평균직경= 19 nm) 0.5g을 혼합하여 음이온교환 전극 슬러리를 제조한 후 이를 전도성 흑연 시트 (두께 = 380 ㎛) 위에 닥터 블레이드로 한 면의 코팅층 두께가 200 ㎛가 되도록 코팅한 후 상온에서 건조하여 음이온 교환기를 가지는 양극을 제조한다.
3) 전기 흡착 탈이온 장치의 조립:
1)에서 제작된 양이온 교환기를 가지는 음극과 2)에서 제작한 음이온 교환기를 가지는 양극을 전극으로 사용하고, 제조예 2에서 제조한 스페이서 구조물을 사용하여, 도 3에 나타낸 바와 같이 흑연 플레이트/음이온 교환기를 가지는 양극(두께: 200 ㎛)/스페이서/양이온 교환기를 가지는 음극(두께: 200 ㎛)/흑연 플레이트의 순으로 하우징 내에 적층하고 나사를 이용하여 하우징을 체결한다.
비교예 2:
스페이서 구조물로서, Nafion 코팅이 없는 폴리에틸렌테레프탈레이트 메쉬(상품명 PETEX 07, 120/34, Sefar AG)를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 전극을 사용하여 동일한 방식으로 장치를 제조한다.
실시예 3:
제조예 1에서 제조한 스페이서 구조물을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 전극을 사용하여 동일한 방식으로 장치를 제조한다.
비교예 3:
스페이서 구조물로서, Nafion 코팅이 없는 폴리아미드 메쉬(상품명: NITEX 03 (125/45, Sefar AG))를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 전극을 사용하여 동일한 방식으로 장치를 제조한다.
실시예 4: 이온 교환막을 포함한 전기 흡착 탈이온 장치(MCDI)의 제조
1) 전극 제작: 활성탄 슬러리 코팅 전극
참고예 1과 동일한 방법으로 활성탄 슬러리 코팅 전극을 준비한다.
2) 전기 흡착 탈이온 장치의 조립:
1)에서 제작된 시트상 전극을 양극과 음극으로 사용하고, Tokuyama사 제조의 CMX 및 AMX를 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 각각 사용하고, 제조예 1에서 제조한 스페이서 구조물을 사용하여, 도 2에 나타낸 바와 같이 흑연 시트/ 활성탄 전극 코팅 (두께: 200 ㎛)/양이온 교환막/스페이서/음이온 교환막/활성탄 전극 코팅 (두께: 200 ㎛)/흑연 시트의 순으로 하우징 내에 적층하고 나사를 이용하여 하우징을 체결한다.
비교예 4:
스페이서 구조물로서, Nafion 코팅이 없는 폴리아미드 메쉬(상품명: NITEX 03-125/45, Sefar AG))를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 4와 동일한 전극을 사용하여 동일한 방식으로 장치를 제조한다.
실험예 2: 이온 제거 성능 평가
하기의 절차에 따라, 참고예 1과 비교예 1, 실시예 4와 비교예 4, 실시예 2와 비교예 2, 및 실시예 3과 비교예 3에서 수득한 장치를 사용하여 이온 흡착 제거 실험을 수행하고 그 결과를 각각 도 4 내지 도 7에 나타내었다:
(1) 장치는 상온에서 운전하였고, 100 ppm NaCl 용액 (이온 전도도: 약 200uS/cm) 을 분당 50ml의 속도로 장치에 공급함.
(2) 각 전극에 전력 공급원를 연결하여 150초간 셀 전압(양극의 전위와 음극의 전위의 차이)을 1.2 V로 유지하여 탈이온함.
(3) 장치를 통과하여 배출되는 처리수의 전도도를 흐름형 센서를 이용하여 실시간으로 측정함.
(4) 전력 공급원을 통해 공급한 전류량으로부터 각 단계의 충전 전하량을 측정함.
(5) 방전: 전류가 흐르지 않을 때까지(즉, 탈이온 시 이용된 충전 전하량이 전부 방전되는 동안, 예컨대 10분 동안) CDI 단위 셀에 100 ppm NaCl 를 충분히 흘림. 이 때, 유속은 10mL/min, 전압은 0 V임.
(6) 측정된 이온 전도도로부터 장치의 이온 제거율(%)은, 하기 방정식에 의해 구함:
이온 제거율(%) = [(유입수 전도도 - 유출수 전도도)/(유입수 전도도)]*100
도 4는, 참고예 1과 비교예 1에 따라 제작된 장치를 사용하여 이온 흡착 제거 실험을 수행한 결과를 나타낸다. 구체적으로, 비교예 1의 장치의 경우, 이온 제거 효율이 23.7%인 반면, 참고예 1의 장치를 사용한 경우, 이온 제거 효율이 32.5%로서, 대략 9% 정도 증가됨을 알 수 있다.
도 5는, 실시예 4 및 비교예 4에 따라 제작된 장치를 사용하여 이온 흡착 제거 실험을 수행한 결과를 나타낸다. 구체적으로, 비교예 4의 장치의 경우, 이온 제거 효율이 48.6%인 반면, 실시예 4의 장치를 사용한 경우, 이온 제거 효율이 70.6%로서, 대략 22% 정도 증가됨을 알 수 있다.
도 6은, 실시예 2 및 비교예 2의 장치를 사용하여 이온 흡착 제거 실험을 수행한 결과를 나타낸다. 구체적으로, 비교예 2의 장치의 경우, 이온 제거 효율이 55.0%인 반면, 실시예 2의 장치를 사용한 경우, 이온 제거 효율이 68.8%로서, 대략 13% 정도 증가됨을 알 수 있다.
도 7은, 실시예 3 및 비교예 3의 장치를 사용하여 이온 흡착 제거 실험을 수행한 결과를 나타낸다. 구체적으로, 비교예 3의 장치의 경우, 이온 제거 효율이 60.8%인 반면, 실시예 3의 장치를 사용한 경우, 이온 제거 효율이 73.4%로서, 대략 13% 정도 증가됨을 알 수 있다.
실험예 3: 유량 변화에 따른 이온 제거 성능 평가
실시예 3과 비교예 3에서 제조된 장치를 사용하여, 유입수 유량을 12ml/분, 14 ml/분, 및 15 ml/분으로 하고, 유입수로서 전해질 농도 250ppm의 경수를 사용하며, 인가 전압을 1.5V로 한 것을 제외하고는 실험예 2와 동일한 방법에 따라 이온 흡착 제거 실험을 수행하고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8에서 시간 0 내지 100초에 해당하는 부분을 삽도에 확대하여 나타내었다. 실시예 3의 장치의 경우, 높은 유량에서도 비교예 3의 장치보다 높은 효율로 이온을 제거할 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 구현예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 첨부된 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
1: 집전체
2, 2' 다공성 전극
3: 스페이서
4, 4' 전하 장벽

Claims (28)

  1. 공급 이온(feed ions)의 정전기적 흡착(electrostatic adsorption)을 위한 표면(surface area)을 가지는 전극 재료를 포함한 적어도 한 쌍의 다공성 전극들; 및 상기 한 쌍의 전극들 사이에 배치되어 이들 간의 유체의 흐름을 위한 경로를 형성하고 전기 절연성(electrically-insulating) 재료를 포함하는 스페이서 구조물을 포함하되, 상기 스페이서 구조물은, 그 표면에 이온 교환기를 포함하고, 상기 다공성 전극들 중 적어도 하나는 이온 전도성 바인더를 더 포함하는 전기 흡착 탈이온 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기 흡착 탈이온 장치는, 상기 전극과 상기 스페이서 구조물 사이에 배치되고 상기 전극 재료와 다른 재료를 포함하는 전하 장벽(charge barrier)을 더 포함하는 전기 흡착 탈이온 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전하 장벽은 양이온 선택성 투과막 또는 음이온 선택성 투과막인 전기 흡착 탈이온 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 전극은 도전조제를 더 포함하는 전기 흡착 탈이온 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이온 전도성 바인더는, 폴리스티렌, 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리아미드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지 및 폴리아크릴아미드로부터 선택되는 폴리머의 주쇄 또는 측쇄에 술폰산기(-SO3H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO3H2), 포스피닉기(-HPO3H), 아소닉기(-AsO3H2) 및 셀리노닉기(-SeO3H)에서 선택되는 양이온 교환기를 더 포함한 폴리머이거나; 혹은 폴리스티렌, 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리아미드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지 및 폴리아크릴아미드로부터 선택되는 폴리머의 주쇄 또는 측쇄에 4급 암모늄염(-NH3), 1급 아민(-NH2), 2급 아민(-NHR), 3급 아민기(-NR2), 4급 포스포늄기(-PR4) 및 3급 술포늄기 (-SR3)에서 선택되는 음이온 교환기를 더 포함한 폴리머인 전기 흡착 탈이온 장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전극 재료는, 활성탄, 에어로겔, 카본나노 튜브(CNT), 메조 다공성 카본 (mesoporous carbon), 활성 탄소 섬유, 흑연 산화물, 및 금속 산화물 로부터 선택된 1종 이상의 다공성 도전 재료인 전기 흡착 탈이온 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서 구조물은 개방 메쉬(open mesh), 부직포, 직물, 또는 발포체(foam) 형태인 전기 흡착 탈이온 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서 구조물은 폴리에스테르; 폴리올레핀; 폴리아미드; 방향족 비닐 폴리머; 셀룰로오스; 셀룰로오스 유도체; 폴리에테르에테르 케톤; 폴리이미드; 폴리비닐클로라이드 또는 이들의 조합을 포함하는 전기 흡착 탈이온 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서 구조물은, 두께가 50 ㎛ 내지 500 ㎛의 범위이고, 개방 면적이 20 % 내지 80 %의 범위인 전기 흡착 탈이온 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서 구조물은, 20 mg/L NaCl 조건 하에 측정한 유효 직렬 저항(ESR)이 1 옴 내지 300 옴의 범위인 전기 흡착 탈이온 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서 구조물은, 0.01 meq/g 내지 10 meq/g 의 범위의 이온 교환 용량을 나타내는 전기 흡착 탈이온 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서 구조물은, 이온 교환성 폴리머가 표면 코팅되어 그 표면에 상기 이온 교환기를 포함하는 전기 흡착 탈이온 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 이온 교환성 폴리머는, 설폰화 테트라플루오로에틸렌계 플루오로 폴리머 또는 이의 코폴리머, 카르복실레이트 폴리머, 설포네이트 폴리머, 설포네이트화 폴리스티렌, 폴리에틸렌이민, 폴리(아크릴아미도-N-프로필트리메틸암모늄 클로라이드)(PolyAPTAC), 폴리(2-아크릴아미도-2-메틸-1-프로판설폰산)(PolyAMPS) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 전기 흡착 탈이온 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 표면 코팅의 두께는 0.5 ㎛ 내지 50 ㎛ 의 범위인 전기 흡착 탈이온 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서 구조물의 표면에 포함된 상기 이온 교환기는 술폰산기(-SO3H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO3H2), 포스피닉기(-HPO3H), 아소닉기(-AsO3H2), 및 셀리노닉기(-SeO3H)에서 선택되는 양이온 교환기이거나, 혹은 4급 암모늄염(-NH3), 1급 아민(-NH2), 2급 아민(-NHR), 3급 아민(-NR2), 4급 포스포늄기(-PR4), 및 3급 술포늄기(-SR3)로부터 선택되는 음이온 교환기인 전기 흡착 탈이온 장치.
  18. 전기 흡착 탈이온 장치에서 적어도 하나의 전극은 이온 전도성 바인더를 포함하는 한 쌍의 전극들 사이에 배치되어 유체의 흐름을 위한 공간을 제공하기 위한 스페이서 구조물로서, 상기 구조물은 전기 절연성 재료로 이루어지고, 상기 구조물의 표면에 이온 교환기를 포함하여, 20 mg/L NaCl 조건 하에 측정한 유효 직렬 저항(ESR)이 1 내지 300 옴인 스페이서 구조물.
  19. 제18항에 있어서,
    개방 메쉬(open mesh), 부직포, 직물, 또는 발포체 (foam) 형태인 스페이서 구조물.
  20. 제18항에 있어서,
    폴리에스테르; 폴리올레핀; 폴리아미드; 방향족 비닐 폴리머; 셀룰로오스; 셀룰로오스 유도체; 폴리에테르에테르 케톤; 폴리이미드; 폴리비닐클로라이드 또는 이들의 조합을 포함하는 스페이서 구조물.
  21. 제18항에 있어서,
    두께가 50 ㎛ 내지 500 ㎛ 의 범위이고, 개방 면적이 20% 내지 80% 의 범위인 스페이서 구조물.
  22. 제18항에 있어서,
    0.01 meq/g 내지 10 meq/g의 범위의 이온 교환 용량을 나타내는 스페이서 구조물.
  23. 제18항에 있어서,
    이온 교환성 폴리머가 표면 코팅되어 그 표면에 상기 이온 교환기를 포함하는 스페이서 구조물.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 이온 교환성 폴리머는, 설폰화된 테트라플루오로에틸렌계 플루오로 폴리머 또는 이의 코폴리머, 카르복실레이트 폴리머, 설포네이트화 폴리머, 설포네이트화 폴리스티렌, 폴리에틸렌이민, 폴리(아크릴아미도-N-프로필트리메틸암모늄 클로라이드)(PolyAPTAC), 폴리(2-아크릴아미도-2-메틸-1-프로판설폰산)(PolyAMPS) 또는 이들의 조합을 포함하는 스페이서 구조물.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 표면 코팅의 두께는 0.5 ㎛ 내지 50 ㎛의 범위인 스페이서 구조물.
  26. 제18항에 있어서,
    상기 스페이서 구조물의 표면에 포함된 상기 이온 교환기는 술폰산기(-SO3H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO3H2), 포스피닉기(-HPO3H), 아소닉기(-AsO3H2), 셀리노닉기(-SeO3H)로부터 선택되는 양이온 교환기이거나, 혹은 4급 암모늄염(-NH3), 1급 아민(-NH2), 2급 아민(-NHR), 3급 아민(-NR2), 4급 포스포늄기(-PR4), 및 3급 술포늄기(-SR3)로부터 선택되는 음이온 교환기인 스페이서 구조물.
  27. (a) 공급 이온의 정전기적 흡착을 위한 표면(surface area)을 가지는 전극 재료를 포함한 적어도 한 쌍의 다공성 전극들; 및 상기 한 쌍의 전극들 사이에 배치되어 이들 간의 유체의 흐름을 위한 경로를 형성하고 전기 절연성 재료를 포함하는 스페이서 구조물을 포함하되, 상기 스페이서 구조물은, 그 표면에 이온 교환기를 포함하고, 상기 다공성 전극들 중 적어도 하나는 이온 전도성 바인더를 더 포함하는 전기 흡착 탈이온 장치를 제공하는 단계; 및 (b) 상기 전기 흡착 탈이온 장치 내로 상기 유체의 흐름을 위한 경로를 통해 이온을 포함한 유체를 공급하면서, 상기 한 쌍의 전극 사이에 전압을 인가하여 상기 이온을 전극에 흡착시켜 상기 유체로부터 제거하는 단계를 포함하는 유체 처리 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    (c) 상기 한 쌍의 전극을 단락시키거나, 상기 한 쌍의 전극 사이에 역방향의 전압을 인가하여, 상기 흡착된 이온을 탈착시키는 단계를 더 포함하는 유체 처리 방법.
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