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두 가지 유로 형태에 따라 이온교환수지를 채운 축전식 탈염기술
Application of Capacitive Deionization Packed Ion Exchange Resins in Two Flow Channels 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.18 no.1, 2015년, pp.24 - 30  

이동주 (상명대학교 환경공학과) ,  박진수 (상명대학교 환경공학과)

초록
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일반적으로 저농도의 염 용액에서 탈염성능이 우수한 축전식 탈염기술에 고농도의 염을 함유한 용액을 처리할 수 있는 가능성을 확인하기 위해 spacer와 spiral 형태의 두 가지 모양의 유로에따라 이온교환수지를 채움으로써 탈염효율을 비교분석하고 기술의 적용가능성을 평가하였다. Spacer와 spiral 형태로 이온교환수지를 채운 축전식 탈염 셀의 탈염효율은 각각 77.21 및 99.94%로, 이는 spiral 형태의 유로에 채워진 이온교환수지가 유입수와 고르게 접촉할 수 있는 유로의 모양을 구성하기 때문에 많은 이온들이 제거될 수 있었다고 판단된다. 또한 pH와 축적 전하량의 변화량에서 탈염성능을 감소시킬 수 있는 페러데이 반응이 현저하게 줄어들었다. 따라서 본 연구를 통해 에너지효율적인 축전식 탈염 기술을 이용하여 고농도의 염 용액의 탈염에 대한 가능성을 제시해주었고, 이온교환수지의 혼합비율의 최적화와 연속식 전기탈이온 기술의 재생공정의 도입에 대한 추가적인 연구를 통해 이상적인 탈염기술을 개발하는 데 큰 기반이 될 것으로 기대된다.

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To desalinate the aqueous solutions with high salt concentration using the capacitive deionization technology, two resin/membrane capacitive deionization(RMCDI) cells were fabricated by filling mixed ion exchange resins in two different flow channels (spacer and spiral type). The salt removal effici...

주제어

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문제 정의

  • 본 공정은 1 단계로 고농도 용액 내 다수의 염을 이온교환수지로 제거한 후 2 단계로 저농도의 용액을 축전식 탈염공정의 전극 흡착으로 수행하고 마지막 3 단계에서 셀에 외부 전위를 가하여 물분해를 유도하고 생성한 수소이온 및 수산화이온으로 이온교환수지를 재생하는 것이다. 본 연구는 이중 고농도 용액 내 다수의 염을 제거하는 1 단계에서 이온교환 수지로 제거 가능한 형태의 축전식 탈염 셀을 개발하고자 하는 것이다. 이를 위하여 축전식 탈염 셀 내 용액 유입 통로의 유로 모양을 최적화하고 이온교환 수지를 채움으로써 고농도의 염 용액의 다수 염을 이온교환수지로 탈염시켜 이후 축전식 탈염 공정 및 재생 공정을 가능하게 하는 연속 탈염 공정의 상업적인 기술 도입의 가능성을 확인해보고 문제점들을 파악하여 이를 극복할 수 있는 방안을 제시하려고 한다.
  • 본 연구에서는 일반적인 축전식 탈염 기술의 단점으로 낮은 염 농도 범위에 대한 한계를 극복하여 고농도의 염을 제거하기 위해 이온교환수지와 이온교환 막을 이용하여 셀을 제작한 축전식 탈염기술을 개발하였다. 본 공정은 1 단계로 고농도 용액 내 다수의 염을 이온교환수지로 제거한 후 2 단계로 저농도의 용액을 축전식 탈염공정의 전극 흡착으로 수행하고 마지막 3 단계에서 셀에 외부 전위를 가하여 물분해를 유도하고 생성한 수소이온 및 수산화이온으로 이온교환수지를 재생하는 것이다.
  • 본 연구는 이중 고농도 용액 내 다수의 염을 제거하는 1 단계에서 이온교환 수지로 제거 가능한 형태의 축전식 탈염 셀을 개발하고자 하는 것이다. 이를 위하여 축전식 탈염 셀 내 용액 유입 통로의 유로 모양을 최적화하고 이온교환 수지를 채움으로써 고농도의 염 용액의 다수 염을 이온교환수지로 탈염시켜 이후 축전식 탈염 공정 및 재생 공정을 가능하게 하는 연속 탈염 공정의 상업적인 기술 도입의 가능성을 확인해보고 문제점들을 파악하여 이를 극복할 수 있는 방안을 제시하려고 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
축전식 탈염 기술의 성능에 영향을 주는 요인은 무엇인가? 축전식 탈염 기술의 성능을 크게 좌우할 수 있는 연구 분야는 전극, 모듈개발, 운전조건 등이 있다. 이들 중 가장 직접적으로 성능에 영향을 주는 부분은 전극이고 전극물질의 종류, 전극의 형태로 크게 구분할 수 있다.
축전식 탈염 기술의 단점은 무엇인가? 재생과정에서 별도의 화학약품을 사용하지 않아 친환경적인 기술이고, 대부분의 이온들이 전극으로부터 신속하게 탈착되기 때문에 높은 회수율을 보이고, 축전기의 원리를 기반으로 이온들을 흡착하는 과정은 에너지를 저장하는 과정과 같기 때문에 탈착하는 과정에서 이 에너지를 회수할 수 있는 기술이 개발된다면 가역적이고 이상적인 탈염기술이 될 수 있는 수많은 장점들을 갖고 있는 기술이다.1-6) 하지만 축전식 탈염 기술은 안정성에 대한 문제로 인해 상업적으로 적용사례가 극히 적다는 단점이 있다. 또한 일반적으로 탈염기술은 에너지 비용을 고려하여 물속에 용해된 이온의 종류와 농도에 따른 적절한 탈염기술을 적용해야 하는데 축전식 탈염 기술은 상당히 낮은 염 농도의 용액에서 고효율을 나타내기 때문에 비교적 염 농도가 낮은 기수(brackish water)에 국한되어야 한다.
축전식 탈염 기술의 장점은 무엇인가? 두 전극사이에 이온을 함유한 용액을 흘려주는 동안 전극에 전위를 공급하면 전극에서 전하는 전극과 용액 사이에서 이온들을 전극 표면으로 흡착시키고 전기이중층을 형성한다. 이러한 원리를 바탕으로 전위의 공급 및 중단으로 이온들의 흡착과 탈착 또는 탈염 및 재생과정이 가능하여 비교적 운전이 간편하고, 전기이중층을 형성할 수 있는 낮은 전압으로 탈염이 가능하여 에너지 소모가 다른 탈염기술에 비해 가장 낮다. 재생과정에서 별도의 화학약품을 사용하지 않아 친환경적인 기술이고, 대부분의 이온들이 전극으로부터 신속하게 탈착되기 때문에 높은 회수율을 보이고, 축전기의 원리를 기반으로 이온들을 흡착하는 과정은 에너지를 저장하는 과정과 같기 때문에 탈착하는 과정에서 이 에너지를 회수할 수 있는 기술이 개발된다면 가역적이고 이상적인 탈염기술이 될 수 있는 수많은 장점들을 갖고 있는 기술이다.1-6) 하지만 축전식 탈염 기술은 안정성에 대한 문제로 인해 상업적으로 적용사례가 극히 적다는 단점이 있다.
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