[논문]불소화고분자와 아민화된 폴리이서이미드 이온교환막을 적용한 축전식 탈염공정의 성능 연구

김지선; 정주환; 임지원

doi:10.14579/membrane_journal.2015.25.1.60

불소화고분자와 아민화된 폴리이서이미드 이온교환막을 적용한 축전식 탈염공정의 성능 연구
Performance Study of Membrane Capacitive Deionization Process Applied by Perfluoropolymer and Aminated Poly(ether imide) Ion Exchange Membranes 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.25 no.1, 2015년, pp.60 - 66

김지선 (한남대학교 대덕밸리캠퍼스 화학공학과) , 정주환 (한남대학교 대덕밸리캠퍼스 화학공학과) , 임지원 (한남대학교 대덕밸리캠퍼스 화학공학과)

초록
AI-Helper

다공성 전극표면에 이온교환고분자를 직접 casting하여 만들어진 복합탄소전극의 성능을 알아보기 위해서 NaCl 수용액을 이용하여 흡착시간, 공급액 농도, 유속, 탈착전압에 따라 흡/탈착실험을 진행하였다. 유입수가 100 mg/L일 때 동일 조건에서 흡착시간이 3분에서 5분으로 증가하면서 제거율이 3% 증가하였는데 이는 유입수의 셀 내부 잔류시간의 증가로 인한 것으로 사료되며 또한 유속이 15 mL/min에서 23 mL/min 증가하면서 효율이 12% 정도 낮음을 보인 것은 유속이 상승하면서 유입수의 셀 내부 잔류시간이 짧아지면서 나타나는 영향으로 사료된다. 유입수의 농도를 200 mg/L로 증가하였을 때 효율은 100 mg/L보다 10~15% 정도 낮은 값을 보였는데, 이는 탈착구간에서 완전탈착이 되지 않아 나타나는 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

To investigate the performance of the composite carbon electrodes which the ion exchange polymers were directly casted onto porous carbon electrode surfaces, the adsorption/desorption experiments were carried out by varying the feed concentration, feed flow rate, and desorption voltages for the NaCl solution. When the feed concentration was 100 mg/L, the increase of the adsorption time led to the increase of the salt removal due to the increase of the residence time inside the cell while the increase of the feed flow rate from 15 mL/min to 23 mL/min gave the decrease of the salt removal efficiency, 12% because of the short residence time. When the feed concentration was 200 mg/L, the salt removal was shown 10~15% low because of the incomplete desorption within the desorption intervals.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기존 MCDI 기술에서 이온교환막과 전극의 결함은 물리적 힘을 가해 저항이 높아 많은 전력을 소비하며, 높은 가격으로 인해 산업화에 어려움을 겪고 있다[21]. 따라서 본 연구에서는 기존 CDI 공정에서 발생되는 문제점을 극복하면서 탈염효율은 향상시키기 위해 이온교환고분자를 탄소전극표면에 직접 casting하는 방식으로 이온선택성을 갖는 복합탄소전극을 제조하고자 하였다. 이온선택성을 부여하기 위하여 음극전극에는 Perfluorsulfopolymer(Li⁺)를 적용하였으며, 양극전극에는 Polyetherimide (PEI)를 Amination하여 결합하였다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 기존 CDI 공정에서 발생되는 문제점을 극복하면서 탈염효율은 향상시키기 위해 이온교환고분자를 탄소전극표면에 직접 casting하는 방식으로 이온선택성을 갖는 복합탄소전극을 제조하고자 하였다. 이온선택성을 부여하기 위하여 음극전극에는 Perfluorsulfopolymer(Li⁺)를 적용하였으며, 양극전극에는 Polyetherimide (PEI)를 Amination하여 결합하였다. 제조한 전극에 대해 주사전자현미경(SEM)을 통하여 구조를 관찰하였고, NaCl 수용액을 사용하여 MCDI 공정을 운전하였으며 흡착시간, 유입수의 농도, 유속, 탈착 시 전압 등을 변화시켜 복합탄소전극의 탈염효율을 관찰하였다.
이온선택성을 부여하기 위하여 음극전극에는 Perfluorsulfopolymer(Li⁺)를 적용하였으며, 양극전극에는 Polyetherimide (PEI)를 Amination하여 결합하였다. 제조한 전극에 대해 주사전자현미경(SEM)을 통하여 구조를 관찰하였고, NaCl 수용액을 사용하여 MCDI 공정을 운전하였으며 흡착시간, 유입수의 농도, 유속, 탈착 시 전압 등을 변화시켜 복합탄소전극의 탈염효율을 관찰하였다.

대상 데이터

실험에 사용되어진 다공성 탄소전극은 Purechem, Co.에서 구매하여 사용하였다. 음이온교환고분자 제조에 사용된 Polyetherimide (PEI, UdelⓇ, P-3500)는 Solvay Plastics를 사용하였으며 아민화를 진행하기 위한 Methanol, Dichloroethane, Dimethyl formamide, Zinc chloride (ZnCl₂), Triethylamine (TEA)는 Sigma Aldrich (USA)에서 Chloromethyl methyl ether(CMME)는 KANTO (Japan)를 사용하였다.
에서 구매하여 사용하였다. 음이온교환고분자 제조에 사용된 Polyetherimide (PEI, UdelⓇ, P-3500)는 Solvay Plastics를 사용하였으며 아민화를 진행하기 위한 Methanol, Dichloroethane, Dimethyl formamide, Zinc chloride (ZnCl₂), Triethylamine (TEA)는 Sigma Aldrich (USA)에서 Chloromethyl methyl ether(CMME)는 KANTO (Japan)를 사용하였다. 양이온교환 고분자로는 Perfluorsulfopolymer (Li+) 17%를 이용하였으며 모든 시약과 용매는 정제 없이 사용하였다.

데이터처리

전극표면에 이온교환고분자 용액의 코팅여부를 확인하기 위하여 FE-S-4800 (Hitachi, Japan)을 사용하여 SEM 사진을 통해 관찰하였다. 분석을 하기 전 전극은 진공오븐에 완전히 건조를 시키고 단면구조의 파괴를 막기 위해 액체질소를 이용하며 시료를 채취하였다.

성능/효과

유입수가 100 mg/L일 때 동일조건에서 흡착시간이 3분에서 5분으로 증가하면서 제거율이 3% 높은 값을 나타냈으며, 유속이 15 mL/min에서 23 mL/min일 때 효율이 12% 정도 낮음을 보였다. 또한 동일 조건에서 공급액은 200 mg/L로 증가하였을 때 효율은 10~15% 사이의 낮은 값을 나타냈다.
실험결과 여러 조건에도 흡착과 탈착그래프의 형태는 동일한 모양을 보였다. 유입수가 100 mg/L일 때 동일조건에서 흡착시간이 3분에서 5분으로 증가하면서 제거율이 3% 높은 값을 나타냈으며, 유속이 15 mL/min에서 23 mL/min일 때 효율이 12% 정도 낮음을 보였다. 또한 동일 조건에서 공급액은 200 mg/L로 증가하였을 때 효율은 10~15% 사이의 낮은 값을 나타냈다.
흡착시간에 따른 제거율은 이온교환고분자 내에 존재하는 친수성관능기로 인해 이온의 이동이 보다 쉬워져 시간이 길어지면서 높아지는 것으로 보이며, 유속의 변화의 경우 23 mL/min보다 15 mL/min일 때 유입수가셀 내부의 잔류시간이 증가하면서 나타나는 결과로 사료되어 진다. 또한, 유입수의 농도에 따른 결과는 탈착 시 완벽하게 탈착되지 못하여 다음 흡착구간에 영향을 주어 나타나는 것으로 판단되며 이는 이번 실험에서 전극에 결합한 이온교환고분자와 다른 물질로 바꿔 실험을 보강할 필요성이 있는 것으로 사료되어진다.

후속연구

흡착시간에 따른 제거율은 이온교환고분자 내에 존재하는 친수성관능기로 인해 이온의 이동이 보다 쉬워져 시간이 길어지면서 높아지는 것으로 보이며, 유속의 변화의 경우 23 mL/min보다 15 mL/min일 때 유입수가셀 내부의 잔류시간이 증가하면서 나타나는 결과로 사료되어 진다. 또한, 유입수의 농도에 따른 결과는 탈착 시 완벽하게 탈착되지 못하여 다음 흡착구간에 영향을 주어 나타나는 것으로 판단되며 이는 이번 실험에서 전극에 결합한 이온교환고분자와 다른 물질로 바꿔 실험을 보강할 필요성이 있는 것으로 사료되어진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MCDI 기술의 장점은 무엇인가?	MCDI (Membrane capacitive deionization) 기술은 현재 탈염공정으로 존재하는 CDI의 단점을 보완하기 위하여 도입된 기술로 전극의 형태는 이온교환막과 결합되어 있다. 따라서 co-ion은 배척하고 counter-ion의 이동은 쉽게 하여 co-ion expulsion effect가 발생하지 않는다[11]. 이온교환막은 양이온과 음이온을 선택적으로 분리하는 역할을 하며 탈염을 진행할 때 흡착되는 이온의 양은 전극 표면에서 이온들이 선택성에 의해 크게 영향을 받는다[12].
	기존 MCDI 기술에서 이온교환막과 전극의 결함의 문제점은 무엇인가?	2% 높은 염제거 성능을 보였다. 기존 MCDI 기술에서 이온교환막과 전극의 결함은 물리적 힘을 가해 저항이 높아 많은 전력을 소비하며, 높은 가격으로 인해 산업화에 어려움을 겪고 있다[21]. 따라서 본 연구에서는 기존 CDI 공정에서 발생되는 문제점을 극복하면서 탈염효율은 향상시키기 위해 이온교환고분자를 탄소전극표면에 직접 casting하는 방식으로 이온선택성을 갖는 복합탄소전극을 제조하고자 하였다.
	이온교환막에 요구되는 조건은 무엇인가?	이온교환막이 요구되는 조건은 일반적으로 높은 투과성과 선택성, 낮은 전기저항, 그리고 우수한 물리적 강도와 화학적 안정성이며 현재 연료전지, 초순수 제조, 확산투석 등 다양한 분야에 이용되고 있다[13-17]. 2006년 Lee[18] 등이 처음으로 MCDI를 사용하였으며 Tokuyama Co.

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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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