[논문]알칼리 수전해용 격막으로서 폴리염화비닐(polyvinyl chloride) 음이온교환막의 제조에 관한 연구

박종호; 봉수연; 유철휘; 황갑진

doi:10.14579/membrane_journal.2013.23.6.469

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알칼리 수전해용 격막으로 사용하기 위해 음이온교환막을 제작하였다. 음이온교환막은 PVC (polyvinyl chloride)를 출발물질로 하여 클로로메틸화 및 아민화에 의해 제작하였다. 제작한 막은 막 특성(막 저항, 이온교환용량)을 평가하였다. 제작한 음이온교환막의 1M NaOH수용액에서의 최저 막 저항은 $2.9{\Omega}{\cdot}cm^2$를 나타냈다. 이 막은 2.17 meq./g-dry-membrane의 이온교환용량과 43.4%의 함수율을 보였다. 제작한 음이온교환막의 막 특성을 시판의 막 특성과 비교 평가하였다. 1M NaOH수용액에서의 막 저항은 AHT>IOMAC>Homemade membrane>AHA>APS=AFN의 순으로 저항 값이 높았다. 이온교환 용량은 Homemade membrane>AFN>APS>AHT>AHA>IOMAC의 순으로 높은 값을 가졌다.

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An anion exchange membrane was prepared for a separator in the alkaline water electrolysis. An anion exchange membrane was prepared by the chloromethylation and amination of polyvinyl chloride (PVC) used as a base polymer. The membrane properties of the prepared anion exchange membrane such as the m...

An anion exchange membrane was prepared for a separator in the alkaline water electrolysis. An anion exchange membrane was prepared by the chloromethylation and amination of polyvinyl chloride (PVC) used as a base polymer. The membrane properties of the prepared anion exchange membrane such as the membrane resistance and ion exchange capacity were measured. The minimum membrane resistance of the prepared anion exchange membrane was $2.9{\Omega}{\cdot}cm^2$ in 1M NaOH aq. solution. This membrane had 2.17 meq./g-dry-membrane and 43.4% for the ion exchange capacity and water content, respectively. The membrane properties of the prepared anion exchange membrane was compared with that of the commercial anion exchange membrane. The membrane resistance decreased in the order; AHT>IOMAC> Homemade membrane> AHA>APS=AFN. The ion exchange capacity decreased in the order; Homemade membrane>AFN>APS>AHT>AHA>IOMAC.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 알칼리 수전해용 격막으로 사용하기 위해 음이온교환막을 제작하였다. 음이온교환막은 PVC (polyvinyl chloride)를 출발 물질로 하여 클로로메틸화와 아민화에 의해 제작하였다.
본 연구에서는 알칼리 수전해용 격막으로 사용하기 위해, 내산화성이 뛰어난 엔지니어링 플라스틱의 일종인 PVC (polyvinyl chloride)를 클로로메틸화 및 아민화에 의해 음이온교환막을 제작하였고, 제작한 음이온교환막의 막 특성 평가 및 시판의 막과의 특성비교에 의해 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

1) PVC (polyvinyl chloride)를 출발물질로 하여 클로로메틸화 및 아민화에 의해 음이온교환막을 제작하였다.
제작한 막은 막저항과 이온교환용량을 측정함으로서 막 특성평가를 진행하였다. 또한 시판의 음이온교환막과 막 특성을 비교 평가 하였다.
막 저항은 실온에서 측정용 전해액을 막 저항 측정 셀에 순환시키고 이때의 저항 값을 1 kHz~100 kHz의 주파수에서 LCR메터(Furuka Co, PM-6304)로 읽음으로서 측정하였다.
막 저항을 측정하기 위해 막 저항 측정 셀을 이용하였다. 막 저항 측정용 전해액으로는 1M (mol/L)의 NaOH 수용액을 사용하였다.
얻어진 고분자 용액을 유리판에 캐스팅한 후, 드라이 오븐에서 100℃에서 1시간 건조시키고, 필름을 유리판에서 띄어냄으로서 Fig. 3과 같은 분자식을 가지는 음이온교환막을 제작하였다.
이온교환용량 측정이 끝난 막을 24시간 동안 증류수에 침적시키고, 막을 꺼내 휴지로 표면의 물기를 가볍게 제거한 후, 적은 상태에서의 막의 질량을 측정하였다. 다음으로 이 막을 드라이 오븐을 이용하여 60℃에서 막의 중량이 변하지 않을 때까지 건조하였다.
음이온교환막은 PVC (polyvinyl chloride)를 출발 물질로 하여 클로로메틸화와 아민화에 의해 제작하였다. 제작한 막은 막저항과 이온교환용량을 측정함으로서 막 특성평가를 진행하였다. 또한 시판의 음이온교환막과 막 특성을 비교 평가 하였다.

대상 데이터

막 저항을 측정하기 위해 막 저항 측정 셀을 이용하였다. 막 저항 측정용 전해액으로는 1M (mol/L)의 NaOH 수용액을 사용하였다.
본 연구에서는 알칼리 수전해용 격막으로 사용하기 위해 음이온교환막을 제작하였다. 음이온교환막은 PVC (polyvinyl chloride)를 출발 물질로 하여 클로로메틸화와 아민화에 의해 제작하였다. 제작한 막은 막저항과 이온교환용량을 측정함으로서 막 특성평가를 진행하였다.

이론/모형

이온교환용량(ion exchange capacity, IEC)는 Hwang 등[14]의 방법에 의해 측정하였다.
클로로메틸화는 Hwang 등[13,14]의 방법에 의해 진행하였다.

성능/효과

2) 제작한 음이온교환막의 FT-IR 측정결과, 이온교환기인 아민기의 진동이 확인되었으며, 이에 따라 음이온교환막에 음이온교환기가 도입되었음을 알 수 있었다.
3) 2.9 Ωcm2의 최저 막 저항 값을 가지는 음이온교환막은 2.17 meq.
4) 제작한 음이온교환막의 막 특성을 시판의 음이온교환막과 비교 평가한 결과, 알칼리 수전해용 격막으로 충분히 사용 가능하다고 판단되었다.
이 원인에 대해서는 아직 명확히 알 수 없으나, 함수율과 관계가 있는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구의 결과에 의하면 함수율이 감소하면 이온교환용량은 증가하고, 함수율이 감소하면 이온교환량은 증가하는 경향을 보이고 있다.
시판의 음이온교환막과 제조한 막의 막 저항과 이온 교환용량을 비교해보면, 막 저항은 AHA, APS, AFN이 제조한 막보다 낮은 값을 가졌고, 이온교환용량은 제조한 막이 AHA, APS, AFN보다 높은 값을 보였다. 이러한 차이에 대한 원인은 명확히 알 수 없으나, 막을 제조할 때 사용하는 출발물질인 고분자와 구조에 의한 영향이라고 판단된다.
이러한 관점에서 살펴보면, Fig. 6과 Fig. 7로부터 제작한 음이온교환막의 경우, 낮은 막 저항과 높은 이온 교환용량을 가지기 위해서는 함수율이 35~44%가 적당하다는 것을 알 수 있으며, 이때 이온교환기 도입제인 TMA의 도입량은 0.45~5 g이 적당하다는 것을 알 수있었다.
이온교환용량은 Homemade membrane>AFN>APS> AHT>AHA>IOMAC의 순으로 높은 값을 가졌다.
Table 1를 보면 알 수 있듯이, 제작한 음이온교환막은 AHA, APS, AFN막과 비교하여 높은 막 저항을 보이고 있다. 하지만 AHT막이 알칼리 수전해용 격막으로 사용되고 있다는 것을 감안하면, 제작한 음이온교환막도 알칼리 수전해용 격막으로 사용 가능하다고 판단된다.
함수율은 APS>AFN>Homemade membrane>IOMAC> AHA>AHT의 순으로 높은 값을 가졌다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수전해 기술이란 무엇인가?	수전해를 이용한 수소제조 방법은 신재생 에너지원과의 접목을 고려할 때 가장 효율적이고 실용적인 방법으로 여겨지고 있다[1]. 수전해 기술은 전기를 이용하여 수소를 물로부터 직접 제조하는 방법으로, 화석연료 이용 제조방법과 비교하여 수소를 제조할 때 지구환경 오염물질인 이산화탄소의 배출이 없다
	수전해 기술의 장점은 무엇인가?	수전해를 이용한 수소제조 방법은 신재생 에너지원과의 접목을 고려할 때 가장 효율적이고 실용적인 방법으로 여겨지고 있다[1]. 수전해 기술은 전기를 이용하여 수소를 물로부터 직접 제조하는 방법으로, 화석연료 이용 제조방법과 비교하여 수소를 제조할 때 지구환경 오염물질인 이산화탄소의 배출이 없다
	알칼리 수전해용격막이 갖춰야할 사항은 무엇인가?	따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 양쪽 극액의 혼합을 방지함과 동시에 수산화이온의 선택투과성이 높은 격막의 개발이 필요하며, 알칼리 수전해용격막으로서 음이온만을 선택적으로 투과시키는 음이온교환막이 적당하다[2]. 또한 격막은 수전해 장치의 전압 효율을 높이기 위해서 사용하는 전해액에 대해 낮은 막 저항 값을 가지지 않으면 안 된다.

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