[논문]전기투석용 바이폴라막의 개발 및 응용동향

김득주; 남상용

전기투석용 바이폴라막의 개발 및 응용동향
Development and Application Trend of Bipolar Membrane for Electrodialysis 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.23 no.5, 2013년, pp.319 - 331

김득주 (경상대학교 나노.신소재융합공학과, 공학연구원) , 남상용 (경상대학교 나노.신소재융합공학과, 공학연구원)

초록
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바이폴라막을 이용한 전기투석공정은 의약산업, 음식산업 등과 같은 고부가 가치산업에 이용되어 왔으며, 용액으로부터 산 또는 염기를 생산하거나 회수할 수 있는 공정으로 많은 각광을 받아왔다. 전기투석공정은 경제적이며 친환경적인 시스템으로 이온교환공정, 추출공정, 흡착공정과 같은 타 공정과의 복합화가 가능하다. 따라서 본고에서는 이온교환막과 이를 이용한 잠재성을 가진 응용분야에 대하여 조사하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Electrodialysis with bipolar membranes (EDBM) has recently gained increasing attention for the recovery and production of acids or bases from the corresponding salt solutions and other high value-added business like food processing and biochemical industry. EDBM possesses economical and environmental benefits and can complex with other process such as ion exchange process, extraction and adsorption. So this paper investigates a brief overview of development for bipolar membrane and EDBM with the practical application.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이를 극복하고자 정부차원의 많은 투자가 이루어지고 있고 앞으로 발전 가능성이 고부가가치산업으로써 계속적으로 연구가 이루어져야 할 분야이다. 따라서 본고에서는 바이폴라막 소재에 대한 연구동향과 바이폴라막의 응용 및 활용방안에 대하여 최근까지 개발된 내용에 대하여 조사하였다.
동일한 구조를 가지는 아민화합물의 경우 알킬체인길이가 길어질수록 상대적으로 이온교환능력이 향상되었으며 막의 저항 또한 감소가 됨을 확인할 수 있었으나 방향족 그룹을 포함하는 다이아민 화합물은 오히려 막의 저항성을 급격히 증가시키는 문제를 야기하였다[6]. 또한 Wessling 그룹은 poly (ether sulfone)와 SPEEK 고분자를 블렌딩하여 SPEEK의 함량과 도입된 Na⁺, H⁺이온에 따른 이온 교환능력에 대한 연구를 진행하여 최적화된 조성을 모색하고자 하였다(Fig. 4)[7]. Xue그룹은 poly (2,6-dimethyl1,4-phenylene oxide) (PPO) 고분자와 methylamine (MA), dimethylamine (DMA), trimethylamine (TMA), triethylamine (TEA), tri-n-propylamine (TPA), tri-n-butylamine (TBA) and dimethyethanolamine (DMEA)과 같은 다른 종류의 아민화합물을 이용하여 도입된 아민 그룹이 이온교환능력에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구를 진행하였으며 합성 및 반응 메커니즘을 scheme 1, Fig.
상용화된 이온교환막에 비하여 이온교환능력 등 전반적인 물성이 낮았지만 poly (ether sulfone) 고분자와의 블렌딩, 술폰화도의 조절을 통하여 이온교환능력의 조절이 가능하였으며 순수 고분자의 개질을 통하여 향상된 물성을 나타냄을 확인가능하였다[5]. 또한 quaternized PSf 고분자(Fig. 3)와 알킬그룹 체인 사슬길이가 조절된 다양한 종류의 아민 화합물을 이용하여 음이온 교환막을 제조하고자 하였다. 동일한 구조를 가지는 아민화합물의 경우 알킬체인길이가 길어질수록 상대적으로 이온교환능력이 향상되었으며 막의 저항 또한 감소가 됨을 확인할 수 있었으나 방향족 그룹을 포함하는 다이아민 화합물은 오히려 막의 저항성을 급격히 증가시키는 문제를 야기하였다[6].
양ㆍ음이온 교환막은 다양한 소재에 대하여 연구개발이 진행되어 왔으며 현재까지 개발되어온 이온교환막 소재에 대하여 Table 3에 정리하였다. 본고에서는 바이폴라막을 제조하기 위한 여러 인자 중 고성능을 가지는 이온교환막 및 바이폴라막의 제조를 위한 연구동향에 대하여 알아보았다. Wessling 등은 sulphonated poly (ether ether ketone) (SPEEK) 고분자를 이용하여 cation exchange membrane을 제조하였으며 Neosepta社의 CMX, CM2, CMS 분리막과의 비교성능 평가를 진행하였다.
바이폴라막은 양이온/음이온 교환막을 접합시켜 양극성의 물질을 동시에 분리할 수 있는 장점으로 바이폴라막을 이용한 전기투석 공정의 경우 높은 효율성과 빠른 처리시간으로 처리가 가능하다는 장점을 가지고 있으므로 금속이온의 제거, 식품분야, 전지 시스템, 유기산ㆍ염의 회수, 정제, 확산투석, 초순수 제조 등 산업계 전반적인 부분에서 적용이 되고 있다. 본고에서는 현재까지 개발된 양이온/음이온 교환막 및 바이폴라막을 제조하기 위한 소재탐색 및 공정에 대한 내용을 정리하였다. Table 1에 나타내었듯이 대부분의 바이폴라막 소재는 미국, 일본, 유럽 등 선진국의 주도하에 기술이 집중되어 있으며 국내에서는 연구실 규모로 일부 대학 및 연구기관에서 개발이 진행 중임을 확인할 수 있었다.

제안 방법

그러나 다이아민 화합물의 사슬길이가 증가될수록 막의 이온교환능력이 감소됨과 동시에 막의 저항 또한 증가가 되는 결과를 확인 가능하였다[8-9]. JIANG그룹은 chloromethylated polysulfone과 diamine, N,N-dimethyl-1, 3- propanediamine을 이용하여 음이온 교환막을 제조하였으며 sulfonated polysulfone (s-PSf)을 사용하여 양이온교환막을 제조하였으며 bilayer, multilayer를 가지는 바이폴라막을 제조하여 특성평가를 진행하였다. 특히 s-PSf의 경우 이온교환능력이 낮은 단점을 보완하고자 cation exchange resin을 첨가하여 분리막을 제조하였으며 resin의 함량에 따른 분리막의 성능테스트가 진행되었다.
9) sulfonated poly (phenylene oxide) (SPPO)를 이용하여 바이폴라막을 제조하였다. PAMAM의 경우 다량의 아민기가 포함되어 있음으로써 향상된 전기적 물성을 가지고자 하였으며 분자구조와 분자량이 상이한 PAMAM을 사용함으로써 그 영향을 확인하였다[16]. Chen 등은 poly (ether ether ketone) (PEEK), sodium sulfonic styrene (StSO₃Na)을 이용하여 side-chain 타입의 고분자를 그라프팅 반응을 통하여 제조하였다(Scheme 3).
바이폴라막의 제조는 이미 언급하였듯이 소재의 준비 및 계면접착기술, 계면활성촉매 등 여러가지 요소가 접목되어있는 기술로써 분리막 계면에 대한 연구와 소재탐색 또한 그동안 많은 연구가 되어왔다. Pan그룹은 바이폴라막 계면촉매로써 친수성을 가지는 polyethylene glycol (PEG) 소재를 이용하여 특성평가를 진행하였다. 본 연구에서는 sulfonated polyphenylene oxide (SPPO) 고분자 분리막을 제조한 후 캐스팅 방법으로 분자량이 각각 다른 PEG를 사용하였으며 전기적인 거동에 대하여 분석이 이루어졌다.
4)[7]. Xue그룹은 poly (2,6-dimethyl1,4-phenylene oxide) (PPO) 고분자와 methylamine (MA), dimethylamine (DMA), trimethylamine (TMA), triethylamine (TEA), tri-n-propylamine (TPA), tri-n-butylamine (TBA) and dimethyethanolamine (DMEA)과 같은 다른 종류의 아민화합물을 이용하여 도입된 아민 그룹이 이온교환능력에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구를 진행하였으며 합성 및 반응 메커니즘을 scheme 1, Fig. 5에 나타내었다. 도입된 아민화합물의 경우 치환된 메틸기의 수가 증가할수록 높은 이온교환 능력을 가지며 막의 저항 또한 감소하였다.
또한 acrylic acid (AA: – COO−), 4-vinyl pyridine (4VP: –NH+Cl−)를 poly (2- hydroxylethylene-methacrylate (2-HEMA)/n-butylacrylate (BA)/ glycidyl-methacrylate (GMA))와 함께 그라프팅 반응을 통하여 샌드위치 형의 바이폴라막을 제조를 하여 특성평가를 진행하였다[15].
Dharmalingam 등은 sulfonated polystyrene ethylene butylene polystyrene (SPSEBS)-poly (vinyl alcohol) (PVA), Quaternized polystyrene ethylene butylene polystyrene (QPSEBS) 바이폴라막을 제조하여 특성평가를 진행하였으며 합성과정을 scheme 4에 나타내었다. 물분해 효율을 향상시키기 위하여 중간매개체로 PVA를 사용하여 술폰화, 아민화를 진행하여 관능기를 도입시켜 바이폴라막 특성평가를 진행하였다[18]. 바이폴라막의 제조는 이미 언급하였듯이 소재의 준비 및 계면접착기술, 계면활성촉매 등 여러가지 요소가 접목되어있는 기술로써 분리막 계면에 대한 연구와 소재탐색 또한 그동안 많은 연구가 되어왔다.
Moon 등은 상업화된 NEOSEPTA (CM-1, AM-1) 이온교환막을 이용하여 바이폴라막을 제조하였으며 친수성의 계면바인더를 제조하여 바이폴라막 성능을 테스트하였다. 본 연구에서는 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA)와 m- phenylenediamine (MPD)을 바인딩 물질로 사용하였으며 화학적 안정성을 증가시키기 위하여 trimesoyl chloride (TMC)를 이용하여 가교반응을 진행하였다 (Fig. 8)[13]. TMC를 가교제로 사용하여 제조된 바이폴라막의 경우 상업화된 Tokuyama社의 BP-1 바이폴라막과 비교하여 전기저항이 감소하였으며 분리막의 함수율이 증가하여 친수성 바인더가 분리막에 끼치는 영향을 확인할 수 있었다.
Pan그룹은 바이폴라막 계면촉매로써 친수성을 가지는 polyethylene glycol (PEG) 소재를 이용하여 특성평가를 진행하였다. 본 연구에서는 sulfonated polyphenylene oxide (SPPO) 고분자 분리막을 제조한 후 캐스팅 방법으로 분자량이 각각 다른 PEG를 사용하였으며 전기적인 거동에 대하여 분석이 이루어졌다. 그 결과 사용된 PEG 촉매는 물분해를 활성화 시키는 역할을 하였으며 PEG 분자량과 함량이 증가할수록 물분해 기능이 향상되었다[19].
JIANG그룹은 chloromethylated polysulfone과 diamine, N,N-dimethyl-1, 3- propanediamine을 이용하여 음이온 교환막을 제조하였으며 sulfonated polysulfone (s-PSf)을 사용하여 양이온교환막을 제조하였으며 bilayer, multilayer를 가지는 바이폴라막을 제조하여 특성평가를 진행하였다. 특히 s-PSf의 경우 이온교환능력이 낮은 단점을 보완하고자 cation exchange resin을 첨가하여 분리막을 제조하였으며 resin의 함량에 따른 분리막의 성능테스트가 진행되었다. 그 결과 resin의 함량이 증가할수록 막의 저항은 감소하였으며 이온선택성이 증가함으로써 우수한 성능을 가지는 분리막의 제조방법으로 가능성을 확인할 수 있었으며 계면의 상태에 따라 물성의 변화가 나타남을 확인하였다(Fig.

대상 데이터

6)[10-11]. Metayer그룹은 Poly (vinyl alcohol) (PVA)와 상업화된 poly (sodium styrenesulfonate) (PSSNa)를 양이온 교환막으로 사용하였으며 poly (N-ethyl-4-vinylpyridinium bromide) (PEVPBr)를 음이온 교환막으로 사용하였다. Pressing 공정에 의하여 제조된 PVA/ PEVPBr, PVA/PSSNa 바이폴라막(Fig.
Chen 등은 2-methacrylic acid 3- (bis-carboxymethylamino)-2-hydroxyl-propyl ester (GMAIDA)와 porous poly (vinylidene fluoride) PVDF 고분자를 plasma-induced polymerization을 이용하여 바이폴라막을 제조하였다(Scheme 2). 다공성 PVDF막을 지지체로 사용하였으며 GMA-IDA를 지지체에 그라프팅시켜 준비되었다. GAM-IDA를 그라프팅시킴으로 인해 분리막의 contact angle은 감소되었지만 전해질의 농도와 확산도는 증가되었다[14].

성능/효과

8)[13]. TMC를 가교제로 사용하여 제조된 바이폴라막의 경우 상업화된 Tokuyama社의 BP-1 바이폴라막과 비교하여 전기저항이 감소하였으며 분리막의 함수율이 증가하여 친수성 바인더가 분리막에 끼치는 영향을 확인할 수 있었다. Chen 등은 2-methacrylic acid 3- (bis-carboxymethylamino)-2-hydroxyl-propyl ester (GMAIDA)와 porous poly (vinylidene fluoride) PVDF 고분자를 plasma-induced polymerization을 이용하여 바이폴라막을 제조하였다(Scheme 2).
Yanagisawa 등은 리튬이온배터리 시스템에서 코발트와 리튬이온의 제거를 위해 바이폴라막 전기분해 시스템을 도입하여 테스트를 진행하였으며 chelating 용제인 ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA)의 Ph를 조절하여 성능평가를 진행하였다. 그 결과 EDTA의 초기 농도가 낮을 때 리튬이온의 제거율이 향상되는 것을 확인가능하였다(Fig. 13). 이외 morpholine solution으로부터 morpholine의 생산을 위해 전기투석 시스템이 응용되기도 하였다(Fig.
특히 s-PSf의 경우 이온교환능력이 낮은 단점을 보완하고자 cation exchange resin을 첨가하여 분리막을 제조하였으며 resin의 함량에 따른 분리막의 성능테스트가 진행되었다. 그 결과 resin의 함량이 증가할수록 막의 저항은 감소하였으며 이온선택성이 증가함으로써 우수한 성능을 가지는 분리막의 제조방법으로 가능성을 확인할 수 있었으며 계면의 상태에 따라 물성의 변화가 나타남을 확인하였다(Fig. 6)[10-11]. Metayer그룹은 Poly (vinyl alcohol) (PVA)와 상업화된 poly (sodium styrenesulfonate) (PSSNa)를 양이온 교환막으로 사용하였으며 poly (N-ethyl-4-vinylpyridinium bromide) (PEVPBr)를 음이온 교환막으로 사용하였다.
본 연구에서는 sulfonated polyphenylene oxide (SPPO) 고분자 분리막을 제조한 후 캐스팅 방법으로 분자량이 각각 다른 PEG를 사용하였으며 전기적인 거동에 대하여 분석이 이루어졌다. 그 결과 사용된 PEG 촉매는 물분해를 활성화 시키는 역할을 하였으며 PEG 분자량과 함량이 증가할수록 물분해 기능이 향상되었다[19]. Shahi 등은 바이폴라막 계면에 silica, titanium, zirconium과 같은 금속 알콕사이드 화합물을 이용하여 계면의 접착력 및 물 분해율을 향상시키고자 하였다 (Scheme 5).

후속연구

상용화된 바이폴라막에 대한 기본적인 정보를 Table 1에 대하여 나타내었다. 따라서 이를 극복하고자 정부차원의 많은 투자가 이루어지고 있고 앞으로 발전 가능성이 고부가가치산업으로써 계속적으로 연구가 이루어져야 할 분야이다. 따라서 본고에서는 바이폴라막 소재에 대한 연구동향과 바이폴라막의 응용 및 활용방안에 대하여 최근까지 개발된 내용에 대하여 조사하였다.
Table 1에 나타내었듯이 대부분의 바이폴라막 소재는 미국, 일본, 유럽 등 선진국의 주도하에 기술이 집중되어 있으며 국내에서는 연구실 규모로 일부 대학 및 연구기관에서 개발이 진행 중임을 확인할 수 있었다. 이를 통하여 고부가가치 산업인 분리막을 이용한 시스템의 확보 및 응용을 위하여 앞으로 국내의 연구개발 인프라 확충과 동시에 국가차원의 지원 및 많은 노력이 필요할 것임을 확인할 수 있었다.
Pinoy 등은 산업염수에 주로 포함되어 있는 NaCl, KCl와 같은 염화물의 제거를 위하여 바이폴라 전기분해 시스템을 적용하였으며[31] 오염수로부터 sodium bromide[32], l-malic acid의 회수[33], 알루미늄의 회수[34] 등 다양한 물질에 대한 회수공정이 이루어져 왔다. 이외 다양한 분야에서 바이폴라막을 이용한 프로세스가 응용이 되어 산업계 전반에 있어서 활용 중에 있으며 앞으로 고부가 가치 산업중의 하나로써 발전가능성이 큰 산업으로 지속적인 연구개발이 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이온교환막이 응용되는 분야는 무엇인가?	투과 선택되어지는 물질의 종류에 따라 기체분리막, 수처리용 분리막, 이온교환막 등 그 활용성도 다양하게 적용 가능하다는 장점으로 최근 들어 개발이 활발히 진행되고 있는 분야 중 하나이다. 다양한 종류의 분리막 중, 이온교환막은 양이온 및 음이온을 선택적으로 분리할 수 있는 이온선택성 막으로 연료전지 시스템, 유기산의 정제, 산ㆍ염기회수, 확산투석, 초순수 제조 등 광범위한 분야에 응용이 되고 있다. 실제 이온교환막은 해수에 대한 제염공정에 적용하고자 개발되었지만 다양한 성능을 가지는 막 소재의 개발이나 시스템의 설계의 발전에 의하여 점점 그 활용 가능성이 증가되고 있는 추세이다.
	전기투석과 역삼투법을 비교하여 설명하시오.	그 중 전기투석(electrodialysis) 공정의 경우 이온교환막과 전기투석조의 양단에서 공급이 되는 전기적 힘을 구동력으로 이용하여 이온성 물질을 분리해내는 막분리 공정이다. 전기투석은 역삼투법과 비교하여 분리막을 이용한다는 점에서는 동일하나 역삼투법의 경우 구동력이 압력을 이용하여 수중의 모든 물질이 제거되는 반면에 전기투석법은 전기적 힘에 의해 구동이 되어 전기적인 전하를 가진 물질만 제거가 되므로 양이온 또는 음이온을 선택적으로 통과시키는 멤브레인을 이용한다[1-2]. 양이온 교환막은 양이온을 선택적으로 투과시키며, –SO3− COO− 등의 음전하 작용기를 포함하여 양이온을 투과시키고 음이온 교환막은 –NH3+,–NR3+ 등의 양전하 작용기를 포함하여 음이온을 선택적으로 투과시키게 된다.
	공급된 H 이온과 함께 산이 생성되며 OH 이온에 의해 염이 생성되어 동시에 산과 염기를 생산 및 농축을 시킬 수 있는 바이폴라막의 원리로 인해 가능한 효율적 장점은 무엇인가?	바이폴라막은 공급된 H이온과 함께 산이 생성되며 OH이온에 의해 염이 생성되어 동시에 산과 염기를 동시에 생산 및 농축을 시킬 수 있는 시스템으로 기존의 단일 이온교환막보다 향상된 효율성을 나타내고 있다. 이러한 원리로 전기투석으로 응용할 경우 산화환원반응이 필요하지 않고, 한대마다 전극이 필요하지 않게 되므로 설치공간이 작고 운영비의 저감을 이룰 수 있다. 이러한 원리를 이용하여 바이폴라막과 양이온 교환막, 음이온 교환막을 이용하여 산ㆍ염기를 변환하는 시스템으로 만들어 이용하고 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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