역전기투석은 해수와 담수의 염분 농도차이를 이용하여 전력을 발생시키는 에너지 발전 장치이다. 역전기투석 장치는 양이온을 투과시키는 양이온교환막과 음이온을 투과시키는 음이온교환막이 서로 교대로 배열되어 있다. 그리고 막과 막 사이 공간에 해수와 담수를 교대로 주입하게 되면 도난 배제(Donnan exclusion)로 인해 ...
역전기투석은 해수와 담수의 염분 농도차이를 이용하여 전력을 발생시키는 에너지 발전 장치이다. 역전기투석 장치는 양이온을 투과시키는 양이온교환막과 음이온을 투과시키는 음이온교환막이 서로 교대로 배열되어 있다. 그리고 막과 막 사이 공간에 해수와 담수를 교대로 주입하게 되면 도난 배제(Donnan exclusion)로 인해 화학에너지 차가 전위를 발생시키고, 확산효과에 의해 이온이 이동하게 되어 산화극과 환원극에서 전위차가 발생하게 된다. 그리고 산화 환원 반응에 의해 전류가 흐르게 된다. 셀 쌍의 개수가 늘어나면 화학에너지 차의 합과 전위가 증가한다. 따라서 양쪽 전극에서 높은 전력을 얻을 수 있다. 그러나 역전기투석에서 전위와 전력은 활성화과전압, 저항과전압, 농도과전압들로 인해 줄어든다. 활성화과전압은 전극과 레독스 커플 이온종들 사이의 화학반응에 의해서 생성되는 전자나 전해질 내의 이온이동 현상에 의해 발생하고 저항과전압은 전극과 전해질 그리고 이온교환막 고유물질의 저항으로 발생한다. 그리고 농도과전압은 전극이나 이온교환막 같은 물질 표면의 농도분극 현상으로 인해 생긴다. 따라서 본 연구는 전극 시스템과 이온교환막 시스템에서 생기는 과전압이 낮은 소재를 개발하여 역전기투석의 성능을 향상 시키는 것을 목적으로 진행하였다. 전극 시스템에서 레독스 커플은 햇빛과 공기를 차단해주면 높은 안전성을 띠는 Fe(CN)64− / Fe(CN)63−을 사용하여야 한다. 그리고 전극 중에 반응전극은 전극 자체가 용해가 되고 석출 반응이 일어나기 때문에 후처리비용을 고려하여야 하는 문제점이 있다. 따라서 반응전극과는 반대로 전극 자체가 용해되지 않고 석출 반응이 일어나지 않는 비활성전극(Inert electrode)을 사용하여야 한다. 그래서 전극 시스템에서는 활성화과전압이 낮은 전극을 평가하고자 Fe(CN)64− / Fe(CN)63−와 비활성전극인 귀금속 전극과 비 귀금속 전극을 사용하였다. 귀금속 전극으로는 금과 백금 그리고 비 귀금속 전극으로는 활성화과전압에 의해 기전력이 감소하는 현상을 최소화 시켜주는 탄소물질로서 잘 알려진 활성탄, 탄소나노섬유, 불칸과 같은 다공성의 물질을 전극으로 제조하여 사용하였다. 그리고 순환 전압전류 측정법으로 본 연구를 진행하였다. 순환 전압전류 측정한 결과 금, 백금, 활성탄, 탄소나노섬유, 불칸 전극들 중 불칸의 형식전위가 작은 것으로 나타났고 그 결과 활성화과전압이 0.094로 가장 낮게 나타났다. 레독스 커플 농도에 따른 영향은 농도가 5, 10, 30, 50 mM로 높아질수록 전력밀도가 0.016, 0.023, 0.035, 0.037 W/m2로 증가하는 경향을 보였다. 레독스 커플 농도가 증가할수록 전해질의 전도도가 증가하기 때문에 저항과전압이 낮아져 전력밀도가 높아진 것으로 판단된다. 최적화된 레독스 커플 50 mM Fe(CN)64− / Fe(CN)63− 농도에서 역전기투석의 통상적으로 많이 사용하는 플레이트 형태의 백금, 메쉬 형태의 이리듐, 불칸 전극들이 실제 성능에 영향을 미치는지 분석하고자 역전기투석 스택에 적용하여 연구하였다. 그 결과 우수한 전기화학적 특성을 보인 불칸이 역전기투석 스택에서도 0.116 Ω/m2로 가장 낮은 스택저항을 보였으며 세가지 전극들 중에 0.041 W/m2로 최대전력밀도를 얻었기 때문에 귀금속류인 백금 대신에 다공성의 탄소전극을 사용할 수 있을 것으로 본다. 이온교환막 시스템에서는 막 자체가 가지고 있는 물리적인 성질에 따라서 성능이 변하므로 중요하다. 기존 상용 음이온교환막의 두꺼운 막과 높은 저항성을 보완하고자 가교제와 고분자의 비율을 조절하여 7 개의 세공충진 음이온교환막들을 제조한 후 물성평가를 하였다. 그리고 상용 음이온교환막과 세공충진 음이온교환막을 역전기투석에 적용하여 성능 평가를 하였고 그 결과 기존 상용 음이온교환막 AMX는 0.050 W/m2을 얻었다. 그리고 세공충진 음이온교환막은 CASE 1, 2, 3, 4 순으로 0.045, 0.047, 0.049, 0.053 W/m2로 증가하였고 CASE 5부터는 0.044, 0.032, 0.036 W/m2으로 감소하는 경향을 보였다. 세공충진 음이온교환막들 중에서 CASE 4가 최고의 성능결과를 나타내었고, CASE 4가 기존 상용 음이온교환막 AMX보다 우수한 성능 결과를 얻었다. 이들 중 최적의 성능을 보인 CASE 4와 전극시스템에서 최적의 성능을 나타낸 불칸을 최종으로 역전기투석에 적용하여 실험을 진행한 결과 역전기투석 기존 성능인 Pt – CMX / AMX 보다 1 ~ 2 % 증가하였다. 비록 큰 성능 변화를 얻지는 못하였으나 Vulcan – CMX / CASE 4를 사용하면 기존 Pt – CMX / AMX 만큼의 성능을 얻을 수 있으므로 가격의 저감 효과를 가져올 수 있다. 따라서 역전기투석에서 비싼 백금과 AMX를 대체할 수 있는 신규재료로서 경제성과 성능 모두를 고려한 불칸과 CASE 4를 사용해도 적합하다고 판단하였다.
역전기투석은 해수와 담수의 염분 농도차이를 이용하여 전력을 발생시키는 에너지 발전 장치이다. 역전기투석 장치는 양이온을 투과시키는 양이온교환막과 음이온을 투과시키는 음이온교환막이 서로 교대로 배열되어 있다. 그리고 막과 막 사이 공간에 해수와 담수를 교대로 주입하게 되면 도난 배제(Donnan exclusion)로 인해 화학에너지 차가 전위를 발생시키고, 확산효과에 의해 이온이 이동하게 되어 산화극과 환원극에서 전위차가 발생하게 된다. 그리고 산화 환원 반응에 의해 전류가 흐르게 된다. 셀 쌍의 개수가 늘어나면 화학에너지 차의 합과 전위가 증가한다. 따라서 양쪽 전극에서 높은 전력을 얻을 수 있다. 그러나 역전기투석에서 전위와 전력은 활성화과전압, 저항과전압, 농도과전압들로 인해 줄어든다. 활성화과전압은 전극과 레독스 커플 이온종들 사이의 화학반응에 의해서 생성되는 전자나 전해질 내의 이온이동 현상에 의해 발생하고 저항과전압은 전극과 전해질 그리고 이온교환막 고유물질의 저항으로 발생한다. 그리고 농도과전압은 전극이나 이온교환막 같은 물질 표면의 농도분극 현상으로 인해 생긴다. 따라서 본 연구는 전극 시스템과 이온교환막 시스템에서 생기는 과전압이 낮은 소재를 개발하여 역전기투석의 성능을 향상 시키는 것을 목적으로 진행하였다. 전극 시스템에서 레독스 커플은 햇빛과 공기를 차단해주면 높은 안전성을 띠는 Fe(CN)64− / Fe(CN)63−을 사용하여야 한다. 그리고 전극 중에 반응전극은 전극 자체가 용해가 되고 석출 반응이 일어나기 때문에 후처리비용을 고려하여야 하는 문제점이 있다. 따라서 반응전극과는 반대로 전극 자체가 용해되지 않고 석출 반응이 일어나지 않는 비활성전극(Inert electrode)을 사용하여야 한다. 그래서 전극 시스템에서는 활성화과전압이 낮은 전극을 평가하고자 Fe(CN)64− / Fe(CN)63−와 비활성전극인 귀금속 전극과 비 귀금속 전극을 사용하였다. 귀금속 전극으로는 금과 백금 그리고 비 귀금속 전극으로는 활성화과전압에 의해 기전력이 감소하는 현상을 최소화 시켜주는 탄소물질로서 잘 알려진 활성탄, 탄소나노섬유, 불칸과 같은 다공성의 물질을 전극으로 제조하여 사용하였다. 그리고 순환 전압전류 측정법으로 본 연구를 진행하였다. 순환 전압전류 측정한 결과 금, 백금, 활성탄, 탄소나노섬유, 불칸 전극들 중 불칸의 형식전위가 작은 것으로 나타났고 그 결과 활성화과전압이 0.094로 가장 낮게 나타났다. 레독스 커플 농도에 따른 영향은 농도가 5, 10, 30, 50 mM로 높아질수록 전력밀도가 0.016, 0.023, 0.035, 0.037 W/m2로 증가하는 경향을 보였다. 레독스 커플 농도가 증가할수록 전해질의 전도도가 증가하기 때문에 저항과전압이 낮아져 전력밀도가 높아진 것으로 판단된다. 최적화된 레독스 커플 50 mM Fe(CN)64− / Fe(CN)63− 농도에서 역전기투석의 통상적으로 많이 사용하는 플레이트 형태의 백금, 메쉬 형태의 이리듐, 불칸 전극들이 실제 성능에 영향을 미치는지 분석하고자 역전기투석 스택에 적용하여 연구하였다. 그 결과 우수한 전기화학적 특성을 보인 불칸이 역전기투석 스택에서도 0.116 Ω/m2로 가장 낮은 스택저항을 보였으며 세가지 전극들 중에 0.041 W/m2로 최대전력밀도를 얻었기 때문에 귀금속류인 백금 대신에 다공성의 탄소전극을 사용할 수 있을 것으로 본다. 이온교환막 시스템에서는 막 자체가 가지고 있는 물리적인 성질에 따라서 성능이 변하므로 중요하다. 기존 상용 음이온교환막의 두꺼운 막과 높은 저항성을 보완하고자 가교제와 고분자의 비율을 조절하여 7 개의 세공충진 음이온교환막들을 제조한 후 물성평가를 하였다. 그리고 상용 음이온교환막과 세공충진 음이온교환막을 역전기투석에 적용하여 성능 평가를 하였고 그 결과 기존 상용 음이온교환막 AMX는 0.050 W/m2을 얻었다. 그리고 세공충진 음이온교환막은 CASE 1, 2, 3, 4 순으로 0.045, 0.047, 0.049, 0.053 W/m2로 증가하였고 CASE 5부터는 0.044, 0.032, 0.036 W/m2으로 감소하는 경향을 보였다. 세공충진 음이온교환막들 중에서 CASE 4가 최고의 성능결과를 나타내었고, CASE 4가 기존 상용 음이온교환막 AMX보다 우수한 성능 결과를 얻었다. 이들 중 최적의 성능을 보인 CASE 4와 전극시스템에서 최적의 성능을 나타낸 불칸을 최종으로 역전기투석에 적용하여 실험을 진행한 결과 역전기투석 기존 성능인 Pt – CMX / AMX 보다 1 ~ 2 % 증가하였다. 비록 큰 성능 변화를 얻지는 못하였으나 Vulcan – CMX / CASE 4를 사용하면 기존 Pt – CMX / AMX 만큼의 성능을 얻을 수 있으므로 가격의 저감 효과를 가져올 수 있다. 따라서 역전기투석에서 비싼 백금과 AMX를 대체할 수 있는 신규재료로서 경제성과 성능 모두를 고려한 불칸과 CASE 4를 사용해도 적합하다고 판단하였다.
Reverse electrodialysis (RED) uses energy derived from the difference between the chemical potentials of concentrated and diluted salt solutions. When the number of cells are high enough, the sum of cell-pair voltages exceeds the electrode reaction potentials, and useful power may be obtained from l...
Reverse electrodialysis (RED) uses energy derived from the difference between the chemical potentials of concentrated and diluted salt solutions. When the number of cells are high enough, the sum of cell-pair voltages exceeds the electrode reaction potentials, and useful power may be obtained from leads to the electrodes. The power and potential generated from RED is disrupted by activation overpotential and ohmic overpotential arising from important materials of RED such as ion-exchange membranes, electrodes. In this study, much efforts are devoted for the development of ion-exchange membranes with low ohmic resistance in ion-exchange membrane systems and porous electrodes with low activation overpotential in electrode systems. An electrode system for RED is a key component to determine the overall performance. In general, systems with dimensionally stable electrodes and a supporting electrolyte with the reversible Fe(CN)64− / Fe(CN)63− redox couple are often used. For better performance, power density, the activation overpotential arising from electrode reactions is necessary to be minimized as much as possible. Various electrode materials such as Au, Vulcan supported Pt, Activated carbon, Carbon nanofiber, Vulcan with the same redox couple Fe(CN)64− / Fe(CN)63− were investigated for RED. The platinum coated titanium and iridium-coated titanium as metal electrode and vulcan-coated on graphite foil were investigated with the same redox couple Fe(CN)64− / Fe(CN)63−. The electrochemical behavior of the electrode materials was measured by using cyclic voltammetric techniques, and voltage in the RED stack was measured in two and four electrode systems. From the results of cyclic voltammograms for various electrode materials such as Au, Vulcan supported Pt, Activated carbon, carbon nanofiber, Vulcan, the Vulcan electrode showed the lowest activation overpotential. The cyclic voltammograms for the Vulcan electrode confirmed very good electrochemical reversibility and kinetic behavior. In the RED stack experiment, the vulcan coated graphite foil electrode showed the lowest activation of overpotential for a Fe(CN)64- / Fe(CN)63- redox couple solution among the electrodes tested in this study. The vulcan electrode is the most promising electrode material for reverse electrodialysis. An ion-exchange membrane system for RED is also a key component to determine the overall performance. Recently, pore-filling membranes are intensively being studied for several applications such as fuel cells since they are able to have extremely low resistance due to thin thickness (20~50 um) and good mechanical stability due to a porous substrate. In this study, the pore-filling anion-exchange membranes were prepared using a polyethylene porous substrate. Monomers were filled in the substrate and crosslinked under heating. Afterward, quaternization was carried out to attach ion-exchangeable functional groups to polymer backbones. Seven types of pore-filling anion-exchange membranes successfully prepared with no defects. Commercially available AMX and pore-filling anion-exchange membranes were applied in the RED. The platinum coated titanium as metal electrode and vulcan-coated on graphite foil were investigated and compared by current voltage polarization measurements. Voltage in the RED stack was measured in two and four electrode systems. The open circuit potentials of reverse electrodialysis were highly dependent upon permselectivity of the membranes. The ionic resistance of the seven types of pore-filling anion-exchange membranes was much lower than that of commercially available AMX. The current-voltage relationship for the pore-filling anion-exchange membranes was shown to be better than that for the AMX membrane. As a result of the performance, the CASE 4 of the seven types of pore-filling anion-exchange membranes tested in this study showed the highest maximum power density. Finally, the performance of the Vulcan - CMX / CASE 4 was shown to be almost the same compared to that of the Pt – CMX / AMX. Thus, much cheaper materials for electrodes and ion-exchange membranes developed in this study could be used for reverse electrodialysis. Further, the durability study of the new materials should be studied.
Reverse electrodialysis (RED) uses energy derived from the difference between the chemical potentials of concentrated and diluted salt solutions. When the number of cells are high enough, the sum of cell-pair voltages exceeds the electrode reaction potentials, and useful power may be obtained from leads to the electrodes. The power and potential generated from RED is disrupted by activation overpotential and ohmic overpotential arising from important materials of RED such as ion-exchange membranes, electrodes. In this study, much efforts are devoted for the development of ion-exchange membranes with low ohmic resistance in ion-exchange membrane systems and porous electrodes with low activation overpotential in electrode systems. An electrode system for RED is a key component to determine the overall performance. In general, systems with dimensionally stable electrodes and a supporting electrolyte with the reversible Fe(CN)64− / Fe(CN)63− redox couple are often used. For better performance, power density, the activation overpotential arising from electrode reactions is necessary to be minimized as much as possible. Various electrode materials such as Au, Vulcan supported Pt, Activated carbon, Carbon nanofiber, Vulcan with the same redox couple Fe(CN)64− / Fe(CN)63− were investigated for RED. The platinum coated titanium and iridium-coated titanium as metal electrode and vulcan-coated on graphite foil were investigated with the same redox couple Fe(CN)64− / Fe(CN)63−. The electrochemical behavior of the electrode materials was measured by using cyclic voltammetric techniques, and voltage in the RED stack was measured in two and four electrode systems. From the results of cyclic voltammograms for various electrode materials such as Au, Vulcan supported Pt, Activated carbon, carbon nanofiber, Vulcan, the Vulcan electrode showed the lowest activation overpotential. The cyclic voltammograms for the Vulcan electrode confirmed very good electrochemical reversibility and kinetic behavior. In the RED stack experiment, the vulcan coated graphite foil electrode showed the lowest activation of overpotential for a Fe(CN)64- / Fe(CN)63- redox couple solution among the electrodes tested in this study. The vulcan electrode is the most promising electrode material for reverse electrodialysis. An ion-exchange membrane system for RED is also a key component to determine the overall performance. Recently, pore-filling membranes are intensively being studied for several applications such as fuel cells since they are able to have extremely low resistance due to thin thickness (20~50 um) and good mechanical stability due to a porous substrate. In this study, the pore-filling anion-exchange membranes were prepared using a polyethylene porous substrate. Monomers were filled in the substrate and crosslinked under heating. Afterward, quaternization was carried out to attach ion-exchangeable functional groups to polymer backbones. Seven types of pore-filling anion-exchange membranes successfully prepared with no defects. Commercially available AMX and pore-filling anion-exchange membranes were applied in the RED. The platinum coated titanium as metal electrode and vulcan-coated on graphite foil were investigated and compared by current voltage polarization measurements. Voltage in the RED stack was measured in two and four electrode systems. The open circuit potentials of reverse electrodialysis were highly dependent upon permselectivity of the membranes. The ionic resistance of the seven types of pore-filling anion-exchange membranes was much lower than that of commercially available AMX. The current-voltage relationship for the pore-filling anion-exchange membranes was shown to be better than that for the AMX membrane. As a result of the performance, the CASE 4 of the seven types of pore-filling anion-exchange membranes tested in this study showed the highest maximum power density. Finally, the performance of the Vulcan - CMX / CASE 4 was shown to be almost the same compared to that of the Pt – CMX / AMX. Thus, much cheaper materials for electrodes and ion-exchange membranes developed in this study could be used for reverse electrodialysis. Further, the durability study of the new materials should be studied.
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