KR20180058012A - Battery Desalination System capable of desalination during charging/discharging - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응전위가 다른 전극과 음이온교환막을 이용함으로써 충전과정에서뿐만 아니라 방전과정에서도 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a battery desalination system capable of desalting at the time of charging and discharging, and more particularly, to a battery desalination system capable of desalting in a discharging process as well as a charging process by using an electrode and an anion exchange membrane having different reaction potentials.
세계의 산업의 발달과 인구증가로 인해 담수의 사용량은 점점 더 증가하고 있으며, 이에 대한 수자원의 확보는 미래 사회에 있어서 매우 중요한 이슈로 여겨지고 있다. 그러나 급격한 기후변화로 인해 많은 국가가 물 부족에 시달리고 있으며, 이를 위해 해수를 탈염하여 담수화하는 기술이 필요하다.Due to the development of the world's industry and the increase in population, the usage of freshwater is increasing more and more, and the securing of water resources is considered to be a very important issue in future society. However, due to rapid climate change, many countries are suffering from water scarcity. For this purpose, it is necessary to desalinate and desalinate seawater.
일반적으로 해수의 담수화는 역삼투막법, 이온교환막에 의한 전기투석법, 해수를 증기로 변화시켜서 담수화하는 증발법(다단 플래시증발법, 다중효용증발법, 증기 압축법), 그 외에 냉동법, 태양열 이용법 등이 있다.In general, desalination of seawater is performed by reverse osmosis membrane, electrodialysis by ion exchange membrane, evaporation method (multi-stage flash evaporation method, multi-effect evaporation method, vapor compression method) in which seawater is converted into steam to desalinate, refrigeration method, .
현재 상용화된 해수 담수화 기술은 열을 가해 염을 분리하는 증발법과 물만을 통과시키는 막을 이용한 역삼투막법이 있다.Currently, commercialized seawater desalination technology includes evaporation method for separating salt by heat and reverse osmosis membrane method using only water passing through membrane.
증발법에 의한 해수의 담수화는 높은 에너지 비용이 소요되는 문제점이 있으며, 이를 대체하기 위하여 제시된 역삼투막법은 해수의 삼투압 25기압(atm)의 2∼3배의 압력으로 운전해야 하므로 여전히 높은 에너지 비용과 막 교체비용 등의 문제점이 있다.Desalination of sea water by evaporation has a problem of high energy cost. In order to replace it, the proposed reverse osmosis membrane method is required to operate at a pressure of 2 to 3 times of the osmotic pressure of 25 atm of seawater, There is a problem such as a membrane replacement cost.
이러한 기존 공정들의 단점을 극복하고자 최근에는 축전식 탈염(capacitive deionization) 공정, 배터리 탈염(desalination battery) 공정 등 전기화학적 방법을 이용한 탈염 기술들이 개발되고 있으며, 이러한 기술들은 에너지효율이 높고 공정이 단순하여 미래의 담수화 시장에 있어 광범위하게 사용될 것으로 예상하고 있다.Desalination technologies using electrochemical methods such as capacitive deionization process and desalination battery process have recently been developed in order to overcome the disadvantages of these conventional processes. These technologies are energy efficient and simple in process It is expected to be used extensively in the future desalination market.
축전식 탈염 공정은 두 전극 사이에 전위를 인가하였을 때 전극의 표면에 형성된 전기이중층에서의 흡착반응을 이용하여 이온성 물질을 제거하는 탈염 기술로, 전극으로는 표면적이 큰 탄소전극을 주로 사용한다. 하지만 전극의 표면상에서만 이온이 잡히기 때문에 용량에 한계가 있으며, 이로 인해 해수와 같은 고농도의 염수를 탈염하기에는 적합하지 않다.The electrochemical desalination process is a desalination technique that removes ionic substances by utilizing the adsorption reaction in the electric double layer formed on the surface of the electrode when a potential is applied between the two electrodes. As the electrode, a carbon electrode having a large surface area is mainly used . However, since ions are trapped only on the surface of the electrode, there is a limitation in capacity, which is not suitable for desalting high concentration of salt water such as seawater.
이러한 용량적인 단점을 극복하고자 산화망간나트륨 계열의 배터리 재료를 이용한 탈염 기술이 개발되었다. 전기이중층 대신 전극물질과 이온의 화학적 결합을 통해 탈염이 진행되며, 전극의 내부까지 이용될 수 있기 때문에 용량이 큰 장점을 가지고 있다. 하지만 산화망간나트륨은 Na 이온과의 반응 전위가 넓고, 용량이 다른 배터리 물질에 비해 작으며, Na 이외의 다른 이온이 산화망간의 격자 내부로 들어갈 경우 비가역적인 반응으로 인해 용량이 감소할 수 있다.To overcome these disadvantages, desalination technology using sodium manganese oxide battery material was developed. The desalination proceeds through the chemical bonding of the electrode material and the ion instead of the electric double layer, and the capacity is large because the electrode can be used up to the inside of the electrode. However, sodium manganese oxide has a large reaction potential with Na ions, and its capacity is smaller than other battery materials. When ions other than Na enter the lattice of manganese oxide, capacity may decrease due to irreversible reaction.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 에너지 효율이 높으며, 탈염 용량이 큰 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, it is an object of the present invention to provide a battery desalination system capable of desalting at the time of charge and discharge with high energy efficiency and high desalting capacity.
또한, 본 발명은 해수, 염수 또는 처리수와 같이 이온 농도가 높고 다양한 이온이 용해되어 있는 유체를 탈염하기에 적합한 배터리 탈염시스템을 제공하고자 한다.The present invention also provides a battery desalination system suitable for desalting a fluid having a high ion concentration and various ions dissolved therein, such as seawater, brine or treated water.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 배터리 탈염시스템에 있어서, 양극과 음극 사이에 상기 양극 및 상기 음극과 이격되어 음이온교환막이 존재하며,충전시 음극과 음이온교환막 사이에 탈염이 이루어지며, 방전시 양극과 음이온교환막 사이에 탈염이 이루어지는 것을 특징으로 하는 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a battery desalination system comprising: an anion exchange membrane disposed between an anode and a cathode and separated from the anode and the cathode, desalting between a cathode and an anion exchange membrane during charging, The present invention provides a desalination system capable of desalting at the time of charge and discharge, characterized in that desalination is performed between the anode and the anion exchange membrane.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 양극 및 음극은 다양한 양이온과 가역적으로 반응할 수 있는 전극인 것을 특징으로 하는 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템을 제공한다.Also, according to the present invention, there is provided a battery desalination system capable of desalting at the time of charge and discharge, wherein the anode and the cathode are electrodes capable of reversibly reacting with various cations.
또한, 본 발명에 따르면, 충전시 양이온이 양극과 음이온교환막 사이의 영역으로 탈리되는 것을 특징으로 하는 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템을 제공한다.According to the present invention, there is provided a battery desalination system capable of desalting at the time of charging and discharging, wherein cations are desorbed into a region between the anode and the anion exchange membrane during charging.
또한, 본 발명에 따르면, 방전시 양이온이 음이온교환막과 상기 음극 사이의 영역으로 탈리되는 것을 특징으로 하는 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a battery desalination system capable of desalting at the time of charge / discharge, wherein a cation is desorbed into a region between the anion exchange membrane and the cathode at the time of discharging.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 양극은 반응전위가 높으며, 상기 음극은 반응전위가 낮은 것을 특징으로 하는 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템을 제공한다.According to the present invention, there is provided a battery desalination system capable of desalting at the time of charge and discharge, wherein the anode has a high reaction potential and the cathode has a low reaction potential.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 양극은 NaxNiFe(CN)6, Na0 . 44MnO2, NaxCuFe(CN)6, NaFePO4, NaMnO2 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템을 제공한다.Further, according to the present invention, the positive electrode is made of Na x NiFe (CN) 6 , Na 0 . 44 MnO 2 , Na x CuFe (CN) 6 , NaFePO 4 , and NaMnO 2. The present invention provides a battery desalination system capable of desalting at the time of charge and discharge.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 음극은 NaxFeFe(CN)6, Na0 . 44[Mn1-xTix]O2, NaTi2(PO4)3, Na2FeP2O7 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템을 제공한다.Further, according to the present invention, the negative electrode is made of Na x FeFe (CN) 6 , Na 0 . The present invention provides a desalination system capable of desalting at the time of charging and discharging, characterized in that the desalination system is any one of 44 [Mn 1-x Ti x ] O 2 , NaTi 2 (PO 4 ) 3 and Na 2 FeP 2 O 7 .
본 발명에 따른 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템은 전극을 충전하는 과정뿐만 아니라 전극을 방전하는 과정에서도 탈염이 진행되어 에너지 효율을 극대화할 수 있다.The desalination system capable of desalting at the time of charging / discharging according to the present invention can maximize the energy efficiency by progressing desalination as well as charging the electrode as well as discharging the electrode.
또한, 본 발명은 양극 및 음극은 다양한 양이온과 가역적으로 반응할 수 있어, 해수, 염수 또는 처리수와 같이 이온 농도가 높고 다양한 이온이 용해되어 있는 유체에 대하여 탈염을 진행할 수 있다.In the present invention, the positive electrode and the negative electrode can react reversibly with various cations, and desalting can proceed to a fluid having high ion concentration and various ions such as seawater, brine or treated water.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템의 개념도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 시간 대비 전압곡선을 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 전하량 대비 전압곡선을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 각 전극의 CV곡선을 나타낸 것이다.1 is a conceptual diagram of a desalination system capable of desalting at the time of charge / discharge according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing a time-versus-voltage curve according to the first embodiment of the present invention.
3 is a graph showing voltage curves of charge amounts according to the first embodiment of the present invention.
4 is a graph showing a CV curve of each electrode according to Example 1 of the present invention.
이하, 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 동일한 참조부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않기 위하여 생략한다.First, in the drawings, it is noted that the same components or parts are denoted by the same reference numerals as possible. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted so as to avoid obscuring the subject matter of the present invention.
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 절대적이니 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.The terms " about ", " substantially ", etc. used to the extent that they are used herein are intended to be taken to mean an approximation of, or approximation to, the numerical values of manufacturing and material tolerances inherent in the meanings mentioned, It is used to prevent unauthorized exploitation by an unscrupulous infringer from disclosing the exact or absolute numerical value to help.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템의 개념도를 나타낸 것이다.1 is a conceptual diagram of a desalination system capable of desalting at the time of charge / discharge according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 배터리 탈염시스템에 있어서, 양극과 음극 사이에 상기 양극 및 상기 음극과 이격되어 음이온교환막이 존재하며, 충전시 상기 음이온교환막과 상기 음극 사이에 탈염이 이루어지며, 방전시 양극과 음이온교환막 사이에 탈염이 이루어지는 것을 특징으로 한다.In the battery desalination system, an anion exchange membrane is disposed between the anode and the cathode and is separated from the anode and the cathode. Desalting is performed between the anion exchange membrane and the anode upon charging, And desalting is performed.
도 1을 참조하면, 기존 탈염 장치나 수처리장치 등에서 이온교환막은 전극과 맞닿아 설치되는 것과 달리, 상기 음이온교환막은 상기 양극 및 음극과 이격되어 일정한 간격을 유지하며, 상기 양극과 상기 음이온교환막 사이 및 상기 음이온교환막과 상기 음극 사이의 영역을 구분하여 구성될 수 있다.1, in an existing desalination apparatus or a water treatment apparatus, an ion exchange membrane is installed to be in contact with an electrode, the anion exchange membrane is spaced apart from the anode and the cathode and is spaced apart from the anode, And separating a region between the anion exchange membrane and the cathode.
또한, 상기 양극과 상기 음이온교환막 사이 및 상기 음이온교환막과 상기 음극 사이의 영역은 유체가 흐를 수 있는 데, 상기 유체로는 탈염이 가능한 이온을 포함하는 물질로, 해수, 염수 또는 처리수 등을 예로 들 수 있다.In addition, a fluid can flow in the region between the anode and the anion exchange membrane, and between the anion exchange membrane and the cathode, and the fluid is a material containing ions capable of desalting, for example, seawater, saline or treated water .
먼저, 충전시 탈염이 이루어지는 과정을 설명한다.First, the process of desalination at the time of filling will be described.
충전을 위해 전원을 공급하게 되면 전자는 상기 양극에서 상기 음극으로 이동하게 되어 상기 양극은 산화반응이 일어나 양이온이 생성되며, 결합력이 약한 양이온은 상기 양극과 상기 음이온교환막 사이의 영역으로 탈리된다.When power is supplied for charging, electrons move from the positive electrode to the negative electrode so that the positive electrode is oxidized to generate positive ions, and the weakly positive positive ions are desorbed to the region between the positive electrode and the anion exchange membrane.
전자를 받은 상기 음극은 환원반응 일어나 음이온이 생성되며, 상기 음이온교환막과 상기 음극 사이의 유체에 존재하는 양이온은 상기 음극으로 삽입되게 된다.The cathode that receives electrons is subjected to a reduction reaction to generate an anion, and cations present in the fluid between the anion exchange membrane and the cathode are inserted into the cathode.
또한, 상기 양극과 상기 음이온교환막 사이 및 상기 음이온교환막과 상기 음극 사이의 영역 간의 중성도를 맞추기 위하여 상기 음이온교환막과 상기 음극 사이의 유체에 존재하던 음이온은 상기 음이온교환막을 통과하여 상기 양극과 상기 음이온교환막 사이의 영역으로 이동하게 된다.The anion existing in the fluid between the anion exchange membrane and the anion exchange membrane and the region between the anode and the anion exchange membrane and the region between the anion exchange membrane and the cathode may be passed through the anion exchange membrane, And moves to the area between the exchange membranes.
따라서, 충전시에는 상기 음이온교환막과 상기 음극 사이를 흐르는 유체에 대하여 탈염이 이루어질 수 있다.Therefore, at the time of filling, desalting can be performed on the fluid flowing between the anion exchange membrane and the cathode.
다음으로 방전시 탈염이 이루어지는 과정을 설명한다.Next, a description will be given of the process of desalination at the discharge.
방전시 전자는 상기 음극에서 상기 양극으로 이동하게 되어 상기 양극은 환원반응이 일어나서 음이온이 생성되며, 상기 양극과 상기 음이온교환막 사이의 상기 유체에 존재하던 양이온은 상기 양극으로 삽입된다.At the time of discharging, electrons move from the cathode to the anode so that a reduction reaction occurs to generate an anion, and the cation existing in the fluid between the anode and the anion exchange membrane is inserted into the anode.
상기 음극은 산화반응이 일어나 양이온이 생성되며, 결합력이 약한 상기 양이온은 상기 음이온교환막과 상기 음극 사이의 영역으로 탈리된다.The negative electrode is oxidized to generate positive ions, and the positive ions having a weak binding force are desorbed into a region between the anion exchange membrane and the negative electrode.
상기 양극과 상기 음이온교환막 사이 및 상기 음이온교환막과 상기 음극 사이의 영역 간의 중성도를 맞추기 위하여 상기 양극과 상기 음이온교환막 사이의 유체에 존재하는 음이온은 상기 음이온교환막을 통과하여 상기 음이온교환막과 상기 음극 사이의 영역으로 이동하게 된다.An anion present in the fluid between the anode and the anion exchange membrane and between the anode exchange membrane and the cathode to match neutrality between the anode and the anion exchange membrane and between the anion exchange membrane and the cathode, As shown in FIG.
따라서, 방전시에는 상기 양극과 상기 음이온교환막 사이를 흐르는 유체에 대한 탈염을 진행할 수 있다.Therefore, at the time of discharging, the desalination of the fluid flowing between the anode and the anion exchange membrane can proceed.
따라서, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 음이온교환막을 두어 이온의 흐름을 제어함으로써 상기 양극과 상기 음극을 충전하는 과정뿐만 아니라 방전하는 과정에서도 탈염을 진행할 수 있어 에너지 효율을 극대화할 수 있다.Therefore, by controlling the flow of ions by placing the anion exchange membrane between the anode and the cathode, it is possible to conduct desalination in the course of discharging as well as charging the anode and the cathode, thereby maximizing the energy efficiency.
상기 양극 및 음극은 양이온과 가역적으로 반응할 수 있는 전극인 것을 특징으로 한다.The positive electrode and the negative electrode are electrodes capable of reversibly reacting with cations.
충전시에는 상기 양극에서 산화반응이 일어나고 상기 음극에서 환원반응이 일어나며, 방전시에는 반대로 상기 양극에서 환원반응이 일어나며 상기 음극에서 산화반응이 일어난다. 따라서, 상기 양극 및 음극은 가역적으로 반응할 수 있다.At the time of charging, an oxidation reaction occurs at the anode and a reduction reaction occurs at the anode. At the discharge, a reduction reaction occurs at the anode and an oxidation reaction occurs at the anode. Therefore, the positive electrode and the negative electrode can react reversibly.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 양극 및 음극을 구성하는 물질은 내부 격자 구조가 큰 공간을 가질 수 있으며, 다양한 양이온들이 삽입 또는 탈리 될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the materials constituting the positive electrode and the negative electrode may have a large internal grating structure, and various positive ions may be inserted or desorbed.
상기 양극 및 음극과 가역적으로 반응할 수 있어 탈염이 가능한 양이온으로, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘이온 등이 포함하는 물질일 수 있다.And may be a substance including sodium, potassium, magnesium, calcium ions and the like as a cation capable of reversibly reacting with the anode and the cathode and capable of desalting.
따라서, 상기 양극 및 음극은 해수, 염수 또는 처리수와 같이 이온 농도가 높고 다양한 이온이 용해되어 있는 유체에 대하여 탈염을 진행할 수 있다.Therefore, the positive electrode and the negative electrode can perform desalination for a fluid having a high ion concentration and various ions dissolved therein, such as seawater, brine or treated water.
상기 양극은 반응전위가 높으며, 상기 음극은 반응전위가 낮은 것을 특징으로 한다.The positive electrode has a high reaction potential, and the negative electrode has a low reaction potential.
상기 양극은 반응전위가 높은 것으로, 상대적으로 반응성이 낮으며 산화되기 어려운 것을 특징으로 하며, 상기 음극은 반응전위가 낮은 것으로, 상대적으로 반응성이 높으며 산화되기 쉬운 것을 특징으로 한다.The positive electrode has a high reaction potential, is relatively low in reactivity, and is difficult to be oxidized. The negative electrode has a low reaction potential, is relatively reactive, and is easily oxidized.
상기 양극은 NaxNiFe(CN)6, Na0 . 44MnO2, NaxCuFe(CN)6, NaFePO4, NaMnO2 등 중에서 어느 하나인 것이 바람직하며, 상기 음극은 NaxFeFe(CN)6, Na0 . 44[Mn1-xTix]O2, NaTi2(PO4)3, Na2FeP2O7 중 어느 하나인 것이 바람직하다.The anode comprises Na x NiFe (CN) 6 , Na 0 . 44 MnO 2 , Na x CuFe (CN) 6 , NaFePO 4 , and NaMnO 2 , and the negative electrode is preferably Na x FeFe (CN) 6 , Na 0 . 44 [Mn 1-x Ti x ] O 2 , NaTi 2 (PO 4 ) 3 and Na 2 FeP 2 O 7 .
이하에서는, 구체적인 실시예 및 실험예를 참조하여, 본 발명의 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템을 설명하기로 한다.Hereinafter, a battery desalination system capable of desalting at the time of charge / discharge of the present invention will be described with reference to specific examples and experimental examples.
실시예Example 1 One
전극제조Electrode Manufacturing
양극으로 NaxNiFe(CN)6(약칭 NaNiHCF)전극을 음극으로 NaxFeFe(CN)6(약칭 NaFeHCF)전극을 제조하였는 데, 상기 양극 및 음극은 sodium citrate를 chelating agent로 이용한 수용액 상에서의 침전법으로 제조되었다. Na x FeFe (CN) 6 (abbreviated as NaFeHCF) electrode was prepared by using Na x NiFe (CN) 6 (abbreviated as NaNiHCF) as an anode and sodium citrate as a chelating agent. Lt; / RTI >
NaxNiFe(CN)6(약칭 NaNiHCF)는 0.05 M의 NiCl2·6H2O와 0.35 M의 Na-Citrate를 섞은 용액 100mL와 0.05 M의 Na4Fe(CN)6 용액 100mL를 섞어 준 뒤, 이를 24시간 동안 상온에서 교반시켰다. 상기 방법으로 상기 NaNiHCF가 형성된 용액을 24시간 동안 숙성시킨 뒤, 가라앉은 입자를 여과기를 이용하여 추출하고 이를 증류수, 에탄올로 여러 번 씻어 주었다.Na x NiFe (CN) 6 (abbreviated as NaNiHCF) was prepared by mixing 100 mL of a 0.05 M solution of NiCl 2 .6H 2 O and 0.35 M Na-Citrate and 100 mL of a 0.05 M Na 4 Fe (CN) 6 solution, It was stirred at room temperature for 24 hours. After the NaNiHCF solution was aged for 24 hours, the precipitated particles were extracted with a filter and washed several times with distilled water and ethanol.
NaxFeFe(CN)6(약칭 NaFeHCF)는 0.05 M의 FeCl2·4H2O와 0.25 M의 Na-Citrate를 섞은 용액 100mL와 0.05 M의 Na4Fe(CN)6 용액 100mL를 천천히 섞은 뒤, 이를 3시간 동안 상온에서 교반시켰다. 상기 방법으로 NaFeHCF가 형성된 용액을 상온조건에서 24시간 동안 숙성시킨 뒤, 이를 여과기를 통해 증류수와 에탄올로 여러 번 씻어 준다. 여과기를 통해 걸러진 입자는 남아 있는 용매를 제거하기 위해 70℃ 오븐에 24시간 둔다. The Na x FeFe (CN) 6 (abbreviated to NaFeHCF) was prepared by slowly mixing 100 mL of a 0.05 M solution of FeCl 2 .4H 2 O and 0.25 M Na-Citrate and 100 mL of a 0.05 M Na 4 Fe (CN) 6 solution, It was stirred at room temperature for 3 hours. The solution in which NaFeHCF was formed was aged at room temperature for 24 hours. The solution was washed several times with distilled water and ethanol through a filter. The particles filtered through the filter are placed in a 70 ° C oven for 24 hours to remove any remaining solvent.
합성된 NaFeHCF 또는 NaNiHCF입자를 carbon black (Super P, Timcal graphite and carbon, Swizz)과 poly-tetrafluoroethylene (PTFE, Sigma-Aldrich, USA)를 함께 7: 2: 2 의 무게 비율로 섞어 주었다. 형성된 슬러리에 대해 roll press machine을 이용하여 두께가 250-300 μm 정도인 sheet type의 전극을 제조하였다. 제조된 전극에 남아 있는 용매를 제거하기 위해서 진공오븐에 60℃ 조건에서 12시간 동안 말려 주어 전극을 제조하였다.The synthesized NaFeHCF or NaNiHCF particles were mixed with carbon black (Super P, Timcal graphite and carbon, Swizz) and poly-tetrafluoroethylene (PTFE, Sigma-Aldrich, USA) at a weight ratio of 7: 2: 2. A sheet type electrode with a thickness of 250-300 μm was prepared using a roll press machine for the slurry. The electrode was dried in a vacuum oven at 60 ° C for 12 hours to remove the remaining solvent from the electrode.
배터리 battery 탈염시스템Desalination system 구성 Configuration
NaNiHCF전극을 양극으로, NaFeHCF전극을 음극으로 하며 양극 및 음극 사이에 이격되도록 음이온교환막으로 구성되어 있다. 음이온교환막과 전극 사이에는 nylon spacer(두께: 0.6 mm)를 두고, 전극 주위에는 silicon rubber(두께: 1.0 mm)를 이용하여 배터리 탈염시스템을 구성하였다.The NaNiHCF electrode is an anode, the NaFeHCF electrode is a cathode, and the anion exchange membrane is spaced between the anode and the cathode. A battery desalination system was constructed using a nylon spacer (thickness: 0.6 mm) between the anion exchange membrane and the electrode, and silicon rubber (thickness: 1.0 mm) around the electrode.
실험예Experimental Example 1 - One - 충방전Charging and discharging 실험 Experiment
실시예 1의 배터리 탈염시스템을 이용하여 0.5 mA/cm2 전류 밀도로 각각 한시간 동안 충전과 방전을 통해 해수의 탈염 실험을 진행하였다.The desalination experiments of the seawater were conducted through charging and discharging for one hour at a current density of 0.5 mA / cm 2 using the battery desalination system of Example 1.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 시간 대비 전압의 변화를 도시한 그래프이다.2 is a graph showing a change in voltage versus time according to the first embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 실시예 1에 따른 NaNiHCF전극인 양극과 NaFeHCF전극인 음극은 충전과 방전이 가역적으로 일어난다는 것을 알 수 있으며, 에너지 저장 기능을 수행함을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2, it can be seen that the anode of the NaNiHCF electrode according to Example 1 and the cathode of the NaFeHCF electrode are reversibly charged and discharged, and that the energy storage function is performed.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 전하량 대비 전압곡선을 도시한 그래프이다.3 is a graph showing voltage curves of charge amounts according to the first embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 실시예 1에 따른 배터리 탈염시스템에 사용된 에너지의 양은 전하량 대비 전압곡선의 면적이 되며, 714mJ로 측정되었다.Referring to FIG. 3, the amount of energy used in the battery desalination system according to Example 1 is the area of the voltage curve relative to the amount of charge, and is measured at 714 mJ.
충방전시의 전위 변화는 전극의 저항, 용액의 저항, 이온교환막 등의 배터리 탈염 시스템 내부 저항 등으로 인하여 나타나며, 상기 저항을 줄인다면 사용되는 에너지의 양을 줄일 수 있다.The potential change during charging and discharging is caused by the resistance of the electrode, the resistance of the solution, the internal resistance of the battery desalination system such as an ion exchange membrane, and the amount of energy used can be reduced if the resistance is reduced.
실험예Experimental Example 2 - 2 - 탈염성능 Desalination performance 평가 evaluation
NaFeHCF전극은 0.5 M의 NaCl 용액에 3전극 셀(작동전극: NaFeHCF, 반대전극: stainless steel mesh, 기준전극: Ag/AgCl)을 구성하여 Ag/AgCl전극 대비 0.3 V를 30분간 인가하여 precharging을 시행하였다.The NaFeHCF electrode was precharged by applying 0.3 V to the Ag / AgCl electrode for 30 min with a 3-electrode cell (working electrode: NaFeHCF, counter electrode: stainless steel mesh, reference electrode: Ag / AgCl) in a 0.5 M NaCl solution Respectively.
탈염 성능 실험 전 NaFeHCF전극과 NaNiHCF전극을 10분간 충전해 주었다.Desalting performance Before the experiment, NaFeHCF and NaNiHCF electrodes were charged for 10 minutes.
탈염 성능 실험은 정전류 조건에서 운전되며 충전과 방전시 ±0.5 mA/cm2의 전류를 각각 1시간 동안 인가하였다. The desalting performance test was carried out under constant current conditions and a current of ± 0.5 mA / cm 2 was applied for 1 hour during charging and discharging.
양극용액과 음극용액의 용량은 각 0.3mL이며, 상기 양극용액 및 음극용액의 이온 농도 변화는 Ion chromatograph를 이용하여 측정하였다.The volume of the positive electrode solution and the negative electrode solution was 0.3 mL, and the ion concentration of the positive electrode solution and the negative electrode solution was measured using an Ion chromatograph.
충전과정 이후 각 이온에 대한 음극용액의 농도와 방전과정 이후 양극용액의 농도가 감소하였으며, 이를 통해 본 발명의 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템은 충전과정뿐만 아니라 방전과정에서도 탈염이 진행됨을 확인할 수 있다. The concentration of the negative electrode solution for each ion and the concentration of the positive electrode solution after the discharging process were decreased after the charging process. Thus, the battery desalination system capable of desalting during charging and discharging according to the present invention shows that the desalination is progressed not only in the charging process but also in the discharging process .
또한, 본 발명의 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템을 통하여 Na, K, Mg, Ca 이온이 모두 제거되었음을 확인 할 수 있다.Also, it can be confirmed that the Na, K, Mg, and Ca ions are completely removed through the battery desalination system capable of desalting at the time of charge / discharge of the present invention.
실험예Experimental Example 3 - 순환 전압 전류 곡선 도출 3 - Derive the cyclic voltage-current curve
실시예 1의 각 전극을 각각 작동 전극(working electrode)로 사용하여 순환 전압전류법(cyclic voltammetry: CV)에 의한 CV 곡선을 도출하였다.CV curves were obtained by cyclic voltammetry (CV) using each electrode of Example 1 as a working electrode.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 각 전극의 CV곡선을 나타낸 것이다.4 is a graph showing a CV curve of each electrode according to Example 1 of the present invention.
도 4를 참조하면, 전해액이 NaCl 1몰(점선) 또는 실제 해수일 때의(실선) cyclic voltammetry 결과를 확인할 수 있으며, NaFeHCF 전극은 -0.1 에서 0.3 V (vs. Ag/AgCl) 전위에서, NaNiHCF 전극은 0.3 에서 0.7 V (vs. Ag/AgCl) 사이의 전위에서 Na 이온과의 가역적 반응이 일어남을 보여 준다. 실제 해수에서도 반응전위는 큰 차이가 없으며, 이러한 두 물질의 전위차를 통해 NaFeHCF 전극을 음극으로, NaNiHCF 전극을 양극으로 하여 배터리 셀이 구성할 경우 탈염이 잘 진행될 수 있다.Referring to FIG. 4, cyclic voltammetry results can be confirmed when the electrolyte is 1 mole of NaCl (dotted line) or actual seawater (solid line). The NaFeHCF electrode is observed at -0.1 to 0.3 V (vs. Ag / AgCl) The electrode shows a reversible reaction with Na ions at a potential between 0.3 and 0.7 V (vs. Ag / AgCl). In actual sea water, there is no significant difference in the reaction potential. Desorption of NaFeHCF and NaNiHCF electrodes can be performed well when the battery cell is composed of NaFeHCF and NaNiHCF.
충전과정 중에는 양극전극인 NaNiHCF 전극에서 산화반응이 일어나(반응전압: 도 4의 0.3 ~ 0.7 V 사이 파란색 선의 위쪽 전류 부분), 전극 내부에 있던 Na이온이 전해액으로 흘러나오게 되며, 음극전극인 NaFeHCF 전극에서는 환원반응으로 인해(반응전압: 도 4의 -0.1 ~ 0.3 V 사이 검은색 선의 아래쪽 전류 부분), 전해액에 있던 Na이온이 전극으로 들어가게 된다. 방전과정 중에는 산화·환원 반응이 반대로 일어나며(양극: 환원반응 도 4의 0.3 ~ 0.7 V 사이 파란색 선 아래 전류 부분, 음극: 산화반응 도 4의 -0.1 ~ 0.3 V 사이 검은색 선의 위쪽 전류 부분) 이러한 두 전극의 반응전위차로 인해 방전과정에서는 에너지를 방출하게 된다During the charging process, an oxidation reaction occurs at the anode electrode NaNiHCF (reaction voltage: upper current portion of the blue line between 0.3 and 0.7 V in FIG. 4), Na ions in the electrode flow into the electrolyte, and NaFeHCF electrode , Na ions in the electrolyte are introduced into the electrode due to the reduction reaction (reaction voltage: the lower current portion of the black line between -0.1 and 0.3 V in FIG. 4). During the discharging process, the oxidation and reduction reactions occur in reverse (anode: the current portion under the blue line between 0.3 and 0.7 V in the reduction reaction 4, and the cathode: the upper current portion in the black line between -0.1 and 0.3 V in the oxidation reaction 4) Due to the reaction potential difference between the two electrodes, the discharge process releases energy
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시에 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be clear to those who have knowledge.
Claims (7)
양극과 음극 사이에 상기 양극 및 상기 음극과 이격되어 음이온교환막이 존재하며,
충전시 음이온교환막과 음극 사이에 탈염이 이루어지며,
방전시 양극과 음이온교환막 사이에 탈염이 이루어지는 것을 특징으로 하는 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템.
In a battery desalination system,
An anion exchange membrane is disposed between the anode and the cathode and spaced apart from the anode and the cathode,
Desorption occurs between the anion exchange membrane and the cathode upon charging,
Wherein desalting is performed between the anode and the anion exchange membrane during discharging.
상기 양극 및 음극은 다양한 양이온과 가역적으로 반응할 수 있는 전극인 것을 특징으로 하는 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the anode and the cathode are electrodes capable of reversibly reacting with various cations.
충전시 양이온이 양극과 음이온교환막 사이의 영역으로 탈리되는 것을 특징으로 하는 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템.
The method according to claim 1,
Wherein a cation is desorbed into a region between the anode and the anion exchange membrane during charging.
방전시 양이온이 음이온교환막과 상기 음극 사이의 영역으로 탈리되는 것을 특징으로 하는 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템.
The method according to claim 1,
Wherein a cation is desorbed into a region between the anion exchange membrane and the cathode during discharging.
상기 양극은 반응전위가 높으며, 상기 음극은 반응전위가 낮은 것을 특징으로 하는 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the anode has a high reaction potential and the cathode has a low reaction potential.
상기 양극은 NaxNiFe(CN)6, Na0 . 44MnO2, NaxCuFe(CN)6, NaFePO4, NaMnO2 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템.
The method according to claim 1,
The anode comprises Na x NiFe (CN) 6 , Na 0 . 44 MnO 2 , Na x CuFe (CN) 6 , NaFePO 4 , and NaMnO 2 .
상기 음극은 NaxFeFe(CN)6, Na0 . 44[Mn1-xTix]O2, NaTi2(PO4)3, Na2FeP2O7 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템.The method according to claim 1,
The negative electrode is made of Na x FeFe (CN) 6 , Na 0 . 44 [Mn 1-x Ti x ] O 2 , NaTi 2 (PO 4 ) 3 , and Na 2 FeP 2 O 7 .
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|---|---|---|---|---|
| WO2023028312A1 (en) * | 2021-08-26 | 2023-03-02 | Robert Bosch Gmbh | Cascading, recirculating water deionization systems |
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