역전기투석(Reverse electrodialysis, RED)은 해수와 담수에서 염의 농도차이를 이용하여 전기를 생산하는 해양에너지 기술이다. 역전기투석 장치는 두 전극 사이에 양이온을 통과시키는 양이온교환막과 음이온을 통과시키는 음이온교환막이 하나의 쌍을 이루며 교대로 배열되어 있다. 하나의 쌍을 이루는 막 사이에 서로 다른 농도의 해수와 담수를 각각 흘려주게 되면 염의 농도차이가 생겨 이온의 ...
역전기투석(Reverse electrodialysis, RED)은 해수와 담수에서 염의 농도차이를 이용하여 전기를 생산하는 해양에너지 기술이다. 역전기투석 장치는 두 전극 사이에 양이온을 통과시키는 양이온교환막과 음이온을 통과시키는 음이온교환막이 하나의 쌍을 이루며 교대로 배열되어 있다. 하나의 쌍을 이루는 막 사이에 서로 다른 농도의 해수와 담수를 각각 흘려주게 되면 염의 농도차이가 생겨 이온의 전위차로 인해 전압이 발생하여 전자가 전극으로 이동하면서 전기를 생성한다. 하지만 해수와 담수에는 염의 농도차이를 일으키는 Na+, Cl-와 같은 이온 이외에도 해수에는 Mg2+, Ca2+와 같은 무기물질들이 존재하고 있고, 담수에는 휴믹산과 같은 자연유기물질이 존재하고 있다. 그 중에서도 해수에 존재하는 무기물질들은 단순한 이온교환으로도 역전기투석에서 막의 저항을 증가시킨다. 그래서 양이온교환막을 통해 Na+이 통과하는 경우보다 2가 이온이 이온교환을 하게 되면 막의 저항 증가로 성능을 저하시키는 영향을 끼친다. 즉 해수에 존재하는 Mg2+, Ca2+와 같은 2가 이온의 존재는 막 오염의 영향인자 중 하나로 볼 수 있다. 또한 담수에 존재하는 대부분의 유기물질인 휴믹산은 아주 큰 비표면적을 갖고 있어 오염물질을 흡착시킬 수 있는 능력이 있다. 그래서 주로 음이온교환막 표면에 오염물질들이 축적하는 흡착 특성이 다르기 때문에 상당한 막의 저항을 증가시켜 성능 저하의 큰 영향을 미친다. 따라서 이번 연구에서는 역전기투석에서 막 오염 현상들이 이온교환막의 물성에 따라 어떠한 영향을 미치는지 알아보려고 한다. 막 오염 영향인자들이 막의 저항을 증가시키는지 확인하기 위해 전기저항 측정실험을 진행하였다. 양이온교환막에서 Mg2+이온에 의한 막 저항은 2.82 Ωcm2로 약 50%정도 증가하였지만, Ca2+이온에 의한 저항이 3.41 Ωcm2로 약 80%정도 증가하여 Ca2+가 더 영향을 미치고 있었다. 그리고 음이온교환막은 휴믹산이 포함된 담수용액에서 초기 저항보다 약 20%정도 큰 저항증가를 나타냈다. 결과적으로 전기저항 실험은 막 오염의 영향을 미리 확인할 수 있는 모니터링방법 중 하나라고 판단할 수 있었다. 전기저항 실험을 바탕으로 실제 역전기투석 셀 성능변화를 확인하기 위해 무기물질과 유기물질로 분류하여 진행하였다. 무기물질은 양이온교환막에서 막 오염 현상이 나타나지만 음이온교환막이 갖는 선택성으로 인한 co-ion 배제가 일어나는 정도에 따라 양이온교환막에 막 오염 현상이 다르게 나타났다. 본 연구에서 사용한 한국에너지기술연구원 음이온교환막 중에서 선택투과성이 0.929로 낮은 KIER AEM 6-2가 0.941로 선택성이 높은 KIER AEM 1-2보다 양이온교환막에서 미치는 막오염 현상의 영향을 저감할 수 있었다. 또한 유기물질은 음이온교환막 표면적 특성에 따라 휴믹산의 흡착되는 특성이 다르게 나타났다. 막 표면이 가장 거친 Fujifilm CEM의 흡착평형이 12시간에 가장 빠르게 일어났다. 반면에 표면이 매끄러운 KIER AEM은 흡착평형은 24시간에 비교적 느리게 일어났다. 이를 바탕으로 두 음이온교환막의 휴믹산 흡착은 등온흡착식 중에서 Frendlich 등온흡착식이 적합하다는 것을 확인하였다. 역전기투석으로 평가를 해보면 흡착평형이 느린 KIER AEM을 사용했을 때 보다 흡착평형이 빠른 Fujifilm AME의 OCV가 급격하게 감소하여 전력도 저하되었다.
역전기투석(Reverse electrodialysis, RED)은 해수와 담수에서 염의 농도차이를 이용하여 전기를 생산하는 해양에너지 기술이다. 역전기투석 장치는 두 전극 사이에 양이온을 통과시키는 양이온교환막과 음이온을 통과시키는 음이온교환막이 하나의 쌍을 이루며 교대로 배열되어 있다. 하나의 쌍을 이루는 막 사이에 서로 다른 농도의 해수와 담수를 각각 흘려주게 되면 염의 농도차이가 생겨 이온의 전위차로 인해 전압이 발생하여 전자가 전극으로 이동하면서 전기를 생성한다. 하지만 해수와 담수에는 염의 농도차이를 일으키는 Na+, Cl-와 같은 이온 이외에도 해수에는 Mg2+, Ca2+와 같은 무기물질들이 존재하고 있고, 담수에는 휴믹산과 같은 자연유기물질이 존재하고 있다. 그 중에서도 해수에 존재하는 무기물질들은 단순한 이온교환으로도 역전기투석에서 막의 저항을 증가시킨다. 그래서 양이온교환막을 통해 Na+이 통과하는 경우보다 2가 이온이 이온교환을 하게 되면 막의 저항 증가로 성능을 저하시키는 영향을 끼친다. 즉 해수에 존재하는 Mg2+, Ca2+와 같은 2가 이온의 존재는 막 오염의 영향인자 중 하나로 볼 수 있다. 또한 담수에 존재하는 대부분의 유기물질인 휴믹산은 아주 큰 비표면적을 갖고 있어 오염물질을 흡착시킬 수 있는 능력이 있다. 그래서 주로 음이온교환막 표면에 오염물질들이 축적하는 흡착 특성이 다르기 때문에 상당한 막의 저항을 증가시켜 성능 저하의 큰 영향을 미친다. 따라서 이번 연구에서는 역전기투석에서 막 오염 현상들이 이온교환막의 물성에 따라 어떠한 영향을 미치는지 알아보려고 한다. 막 오염 영향인자들이 막의 저항을 증가시키는지 확인하기 위해 전기저항 측정실험을 진행하였다. 양이온교환막에서 Mg2+이온에 의한 막 저항은 2.82 Ωcm2로 약 50%정도 증가하였지만, Ca2+이온에 의한 저항이 3.41 Ωcm2로 약 80%정도 증가하여 Ca2+가 더 영향을 미치고 있었다. 그리고 음이온교환막은 휴믹산이 포함된 담수용액에서 초기 저항보다 약 20%정도 큰 저항증가를 나타냈다. 결과적으로 전기저항 실험은 막 오염의 영향을 미리 확인할 수 있는 모니터링방법 중 하나라고 판단할 수 있었다. 전기저항 실험을 바탕으로 실제 역전기투석 셀 성능변화를 확인하기 위해 무기물질과 유기물질로 분류하여 진행하였다. 무기물질은 양이온교환막에서 막 오염 현상이 나타나지만 음이온교환막이 갖는 선택성으로 인한 co-ion 배제가 일어나는 정도에 따라 양이온교환막에 막 오염 현상이 다르게 나타났다. 본 연구에서 사용한 한국에너지기술연구원 음이온교환막 중에서 선택투과성이 0.929로 낮은 KIER AEM 6-2가 0.941로 선택성이 높은 KIER AEM 1-2보다 양이온교환막에서 미치는 막오염 현상의 영향을 저감할 수 있었다. 또한 유기물질은 음이온교환막 표면적 특성에 따라 휴믹산의 흡착되는 특성이 다르게 나타났다. 막 표면이 가장 거친 Fujifilm CEM의 흡착평형이 12시간에 가장 빠르게 일어났다. 반면에 표면이 매끄러운 KIER AEM은 흡착평형은 24시간에 비교적 느리게 일어났다. 이를 바탕으로 두 음이온교환막의 휴믹산 흡착은 등온흡착식 중에서 Frendlich 등온흡착식이 적합하다는 것을 확인하였다. 역전기투석으로 평가를 해보면 흡착평형이 느린 KIER AEM을 사용했을 때 보다 흡착평형이 빠른 Fujifilm AME의 OCV가 급격하게 감소하여 전력도 저하되었다.
Reverse electrodialysis (RED) is ocean energy harvesting technology to generate energy from the mixing of concentrated salt solutions (e.g., sea water) and diluted salt solutions (e.g., river water) with different salinity. The RED stack is comprised of an alternating arrangement of cation-anion-exc...
Reverse electrodialysis (RED) is ocean energy harvesting technology to generate energy from the mixing of concentrated salt solutions (e.g., sea water) and diluted salt solutions (e.g., river water) with different salinity. The RED stack is comprised of an alternating arrangement of cation-anion-exchange membranes (CEMs) and anion-exchange membrane (AEMs) between two electrodes that selectively transfer anions and cations. Normally, the divalent cations (i.e., Ca2+ and Mg2+) or natural organic matters (i.e., humic acid, fulvic acid, etc.) are contained in sea water and river water, respectively. The divalent cations of sea water result in a decrease in the performance of RED simply by increasing the membrane resistance. The humic acid, which in the most frequently found as natural organic matter, shows different adsorption characteristics with the type of anion-exchange membranes which has different surface morphology (or roughness). This study is to understand the effect of membrane fouling phenomena with respect of the property of anion-exchange membranes in RED. Adsorption tests, electrical resistance measurement experiments and RED operations were carried out to verify whether membrane fouling influences the factors to increase electrical resistance. CEMs showed an increase in electrical resistance due to divalent ions existed in concentrated salt solutions. As expected, Mg2+ showed greater resistance than Ca2+. However, AEMs showed an increase in electrical resistance due to humic acid existed in diluted salt solutions. Divalent cations showed fouling membrane phenomena in CEMs, but showed different fouling membrane phenomena with permselectivity of AEMs used in this study. KIER AEM 6-2 supplied from Korea Institute of Energy Research (KIER) could decrease the membrane fouling for CEMs than KIER AEM 1-2 due to higher permselectivity. In addition, the adsorption of humic acid was different with respect to the surface morphology of AEMs. The preferred adsorption equilibrium occurred in Fujifilm AEM with the most rough surface; on the other hand, the KIER AEMs with much smoother surface showed lower adsorption behavior. Both showed the better fitting results in Frendlich adsorption isotherm than Langmuir one. Thus it inferred that the former is suitable for the humic acid adsorption of the two AEMs. To analyze the results based on RED runs, Fujifilm AEM showed a greater decrease in OCV and power than the KIER AEM 6-2. In could be concluded that the control of the property of anion-exchange membranes in RED is able to mitigate inorganic and organic fouling phenomena effectively.
Reverse electrodialysis (RED) is ocean energy harvesting technology to generate energy from the mixing of concentrated salt solutions (e.g., sea water) and diluted salt solutions (e.g., river water) with different salinity. The RED stack is comprised of an alternating arrangement of cation-anion-exchange membranes (CEMs) and anion-exchange membrane (AEMs) between two electrodes that selectively transfer anions and cations. Normally, the divalent cations (i.e., Ca2+ and Mg2+) or natural organic matters (i.e., humic acid, fulvic acid, etc.) are contained in sea water and river water, respectively. The divalent cations of sea water result in a decrease in the performance of RED simply by increasing the membrane resistance. The humic acid, which in the most frequently found as natural organic matter, shows different adsorption characteristics with the type of anion-exchange membranes which has different surface morphology (or roughness). This study is to understand the effect of membrane fouling phenomena with respect of the property of anion-exchange membranes in RED. Adsorption tests, electrical resistance measurement experiments and RED operations were carried out to verify whether membrane fouling influences the factors to increase electrical resistance. CEMs showed an increase in electrical resistance due to divalent ions existed in concentrated salt solutions. As expected, Mg2+ showed greater resistance than Ca2+. However, AEMs showed an increase in electrical resistance due to humic acid existed in diluted salt solutions. Divalent cations showed fouling membrane phenomena in CEMs, but showed different fouling membrane phenomena with permselectivity of AEMs used in this study. KIER AEM 6-2 supplied from Korea Institute of Energy Research (KIER) could decrease the membrane fouling for CEMs than KIER AEM 1-2 due to higher permselectivity. In addition, the adsorption of humic acid was different with respect to the surface morphology of AEMs. The preferred adsorption equilibrium occurred in Fujifilm AEM with the most rough surface; on the other hand, the KIER AEMs with much smoother surface showed lower adsorption behavior. Both showed the better fitting results in Frendlich adsorption isotherm than Langmuir one. Thus it inferred that the former is suitable for the humic acid adsorption of the two AEMs. To analyze the results based on RED runs, Fujifilm AEM showed a greater decrease in OCV and power than the KIER AEM 6-2. In could be concluded that the control of the property of anion-exchange membranes in RED is able to mitigate inorganic and organic fouling phenomena effectively.
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