농도차발전은 전 세계적으로 높은 잠재적 에너지량으로 인하여 최근 많은 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 양이온과 음이온의 선택적 분리를 통하여 전기를 생성하는 역전기투석을 이용하여 다양한 농도 공급원의 조합으로부터 성능을 평가하였다. 역전기투석 장치의 분극곡선은 전류가 증가할 때 전압이 선형적으로 감소하였고, 최대출력밀도는 내부저항과 외부저항이 일치하는 부분에서 얻어졌다. 내부 유로두께가 감소하고 공급유량이 증가할 때 역전기투석 장치에서 생성되는 출력이 증가하는 것을 발견하였고, 공급유체의 펌핑에 의해 발생되는 출력 손실을 고려한 정미출력은 공급유량이 22.5mL/min 에서 최대값을 가졌다. 최종적으로 담수화 브라인, 해수, 강물, 폐수, 기수를 조합하여 역전기투석 장치의 성능을 평가하였고 정삼투 과정에서 발생하는 브라인과 강물을 이용할 때 $1.75W/m^2$ 으로 최대값을 얻었다.
농도차발전은 전 세계적으로 높은 잠재적 에너지량으로 인하여 최근 많은 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 양이온과 음이온의 선택적 분리를 통하여 전기를 생성하는 역전기투석을 이용하여 다양한 농도 공급원의 조합으로부터 성능을 평가하였다. 역전기투석 장치의 분극곡선은 전류가 증가할 때 전압이 선형적으로 감소하였고, 최대출력밀도는 내부저항과 외부저항이 일치하는 부분에서 얻어졌다. 내부 유로두께가 감소하고 공급유량이 증가할 때 역전기투석 장치에서 생성되는 출력이 증가하는 것을 발견하였고, 공급유체의 펌핑에 의해 발생되는 출력 손실을 고려한 정미출력은 공급유량이 22.5mL/min 에서 최대값을 가졌다. 최종적으로 담수화 브라인, 해수, 강물, 폐수, 기수를 조합하여 역전기투석 장치의 성능을 평가하였고 정삼투 과정에서 발생하는 브라인과 강물을 이용할 때 $1.75W/m^2$ 으로 최대값을 얻었다.
Salinity gradient power (SGP) has attracted significant attention because of its high potential. In this study, we evaluate reverse electrodialysis (RED) with various compositions of available resources. The polarization curve (I-V characteristics) shows linear behavior, and therefore the power dens...
Salinity gradient power (SGP) has attracted significant attention because of its high potential. In this study, we evaluate reverse electrodialysis (RED) with various compositions of available resources. The polarization curve (I-V characteristics) shows linear behavior, and therefore the power density curve has a parabolic shape. We measure the power density with varying compartment thicknesses and inlet flow rates. The gross power density increases with decreasing compartment thickness and increasing flow rate. The net power density, which is the gross power density minus the pumping power, has a maximum value at a compartment thickness of 0.2 mm and an inlet flow rate of 22.5 mL/min. The power density in RED is also evaluated with compositions of desalination brines, seawater, river water, wastewater, and brackish water. A maximum power density of $1.75W/m^2$ is obtained when brine discharged from forward osmosis (FO) and river water are used as the concentrated and the diluted solutions, respectively.
Salinity gradient power (SGP) has attracted significant attention because of its high potential. In this study, we evaluate reverse electrodialysis (RED) with various compositions of available resources. The polarization curve (I-V characteristics) shows linear behavior, and therefore the power density curve has a parabolic shape. We measure the power density with varying compartment thicknesses and inlet flow rates. The gross power density increases with decreasing compartment thickness and increasing flow rate. The net power density, which is the gross power density minus the pumping power, has a maximum value at a compartment thickness of 0.2 mm and an inlet flow rate of 22.5 mL/min. The power density in RED is also evaluated with compositions of desalination brines, seawater, river water, wastewater, and brackish water. A maximum power density of $1.75W/m^2$ is obtained when brine discharged from forward osmosis (FO) and river water are used as the concentrated and the diluted solutions, respectively.
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문제 정의
본 연구에서는 다양한 농도 공급원의 조합으로 부터 발생되는 역전기투석 장치의 성능 변화에 대한 평가를 수행하였다. 역전기투석 장치에서 전압은 전류의 증가에 따라 내부저항에 의하여 선형적으로 감소하는 경향을 보였고, 최대출력밀도는 내부저항과 외부저항이 일치하는 최대전류의 절반에서 얻어졌다.
본 연구에서는 위와 같은 점에 착안하여, 폐수 (wastewater), 기수(brackish water), 브라인(brine)과 같은 다양한 농도 공급원의 조합에 대한 역전기투석 장치의 성능을 평가하였다.
제안 방법
고농도 용액과 저농도용액의 농도를 0.6mol/L 와 0.01mol/L 로 각각 고정하고, 유로 두께와 전극액의 유량을 0.2 mm 와 50 mL/min 로 한 상태에서, 고농도와 저농도의 공급유량을 3mL/min 에서 60 mL/min 으로 변화시켜 가며 개회로 전압(open circuit voltage, OCV)과 출력밀도의 변화를 측정하였다. Fig.
고농도 및 저농도 수용액은 정제된 염화나트륨 (S5586, Sigma-Aldrich)과 탈이온수(deionized water) 를 이용하여 만들어졌다. 다양한 공급원의 농도는총 용존물질량(total dissolved solid, TDS)의 값을 기반으로 하여 설정하였다. (15) 브라인의 농도는 막 기반의 담수화 시스템인 역삼투(reverse osmosis, RO)와 정삼투(forward osmosis, FO)에서의 회수률 (recovery rate)을 기반으로 계산되었다.
74W/m2 의 값을 가졌다. 담수화브라인, 해수, 강물, 폐수, 기수를 조합하여 역전기투석 장치에서의 성능 평가를 수행하였고, 이상적으로 동작하는 정삼투 공정에서 발생하는 브라인을 고농도용액으로 강물을 저농도용액으로 사용할 때 1.75W/m2의 최대출력을 얻었다.
4 는 유로 두께의 변화에 따른 역전기투석 장치의 출력밀도이다. 실험에서 공급유량은 15mL/min 으로 고정하였고, 4 가지 다른 유로두께에 대하여 평가하였다. 유로두께가 증가할수록 내부저항의 증가에 의하여 역전기투석 장치에서 생성하는 출력이 줄어드는 것이 발견되었다.
3 은 역전기투석 장치의 전류-전압 특성을 나타내는 분극곡선(polarization curve)과 출력밀도곡선(power density curve)이다. 역전기투석 장치는 3개의 셀로 구성하였고, 실험 조건은 고농도용액(해수, 0.6mol/L)과 저농도용액(강물, 0.01mol/L)의 공급유량이 15mL/min, 전극액의 유량이 50mL/min, 유로두께가 0.2mm 로 고정하였다.
차압계에서 발생하는 전압 신호는 DAQ 보드(USB-6361, National Instrument)를 이용하여 수집되었고, 공급유량과 함께 계산되어 펌핑에 의한 출력 손실을 얻었다. 역전기투석 장치의 성능은 소스미터(soucemeter, 2410, Keitheley)를 이용하여 전류-전압 특성을 측정한후, 이를 이용하여 출력 밀도를 계산하였다.
고농도용액, 저농도용액, 전극액(electrode rinse solution)은 각각 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 저장조(reservoir)에 보관된 상태로 튜브연동식 펌프(peristaltic pump, EMP-2000W, EMS-tech)를 이용하여 역전기투석 장치에 공급되었다. 역전기투석장치 내부에서의 압력강하는 0-2bar 의 측정 범위를 가지는 차압계(UNIK 5000, GE Druck)를 이용하여 측정되었다. 차압계에서 발생하는 전압 신호는 DAQ 보드(USB-6361, National Instrument)를 이용하여 수집되었고, 공급유량과 함께 계산되어 펌핑에 의한 출력 손실을 얻었다.
대상 데이터
고농도 및 저농도 수용액은 정제된 염화나트륨 (S5586, Sigma-Aldrich)과 탈이온수(deionized water) 를 이용하여 만들어졌다. 다양한 공급원의 농도는총 용존물질량(total dissolved solid, TDS)의 값을 기반으로 하여 설정하였다.
역전기투석 장치의 실험은 상온(~25°C)에서 수행되었다.
이온의 흐름을 전기적 흐름으로 변화하는 전극은 내식성이 우수한 티타늄 메쉬 위에 이리듐(Ir)과 루테늄(Ru)을 50:50 혼합비로 하여 코팅하였다. 역전기투석 장치의 핵심 부품인 이온교환막으로는 일본 토구시마사의 Neosepta CMX 와 AMX 를 사용하였고, 이온교환막 사이에 유로의 형성과 공급액의 누수를 방지하기 위하여 실리콘 가스켓을 사용하였다. 내부 유로에는 이온교환막 근처에서 발생하는 농도 분극(concentration polarization) 감소와 고른 유동 분포를 위하여 두께에 맞는 SEFAR 사의 격자형 메쉬가 삽입되었다.
역전기투석 장치는 다음과 같이 제작되었다. 전극 하우징 및 전체 스택을 고정하는 역할을 수행하는 엔드플레이트는 30mm 두께의 아크릴을 이용하여 제작되었다. 엔드플레이트에는 작동 유체의 공급을 위한 유로와 체결을 위한 나사 구멍이 가공되었다.
(15,16~18) Table 1 은 본 연구에서 사용된 다양한 농도 공급원들의 총 용존물질량과 농도를 보여주고 있다. 전극에서 산화환원 반응에 의한 에너지 손실을 줄이는 역할을 하는 전극액은 고농도용액의 절반 농도에 전기적인 쌍(redox couple)으로 작용하는 페로시안화칼륨(P9387, Sigma-Aldrich)과 페리시안화칼륨(P8131, Sigma-Aldrich)을 녹여서 제조되었다.
역전기투석장치 내부에서의 압력강하는 0-2bar 의 측정 범위를 가지는 차압계(UNIK 5000, GE Druck)를 이용하여 측정되었다. 차압계에서 발생하는 전압 신호는 DAQ 보드(USB-6361, National Instrument)를 이용하여 수집되었고, 공급유량과 함께 계산되어 펌핑에 의한 출력 손실을 얻었다. 역전기투석 장치의 성능은 소스미터(soucemeter, 2410, Keitheley)를 이용하여 전류-전압 특성을 측정한후, 이를 이용하여 출력 밀도를 계산하였다.
성능/효과
다양한 공급원의 농도는총 용존물질량(total dissolved solid, TDS)의 값을 기반으로 하여 설정하였다. (15) 브라인의 농도는 막 기반의 담수화 시스템인 역삼투(reverse osmosis, RO)와 정삼투(forward osmosis, FO)에서의 회수률 (recovery rate)을 기반으로 계산되었다. (15,16~18) Table 1 은 본 연구에서 사용된 다양한 농도 공급원들의 총 용존물질량과 농도를 보여주고 있다.
담수화 브라인을 고농도용액으로 사용할 때는 해수를 저농도용액으로한 실험을 추가적으로 수행하였다. 강물을 저농도용액으로 사용할 때 가장 큰 농도차이를 유발할 수 있어 역전기투석 장치에서 가장 높은 출력 밀도를 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. 담수화 브라인을 고농도용액으로 사용할 때 해수를 사용할 때 보다 농도차이를 증가시키는 효과에 의하여 역전기투석 장치에서의 출력이 증가하였다.
공급 유량이 증가할 때 유로를 따라 농도변화량이 감소하는 것에 의하여 개회로 전압은 증가하는 경향을 보였다. 역전기투석 장치에서 생성하는 출력 역시 유량의 증가와 함께 증가하였다.
펌핑에 의한 출력손실은 유로두께가 줄어들수록 배압(backpressure)의 증가에 의하여 증가하는 경향을 보였다. 그러나 본 실험조건에서는 상대적으로 낮은 유량에 의하여 펌핑에 의한 출력 손실이 급격하게 증가하지는 않았고, 따라서 역전기투석 장치에서 생성되는 출력에서 펌프 출력 손실을 제외한 정미(net) 출력은 유로두께가 0.2mm 일 때 0.74W/m2 으로 여전히 가장 높은 값을 가졌다.
강물을 저농도용액으로 사용할 때 가장 큰 농도차이를 유발할 수 있어 역전기투석 장치에서 가장 높은 출력 밀도를 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. 담수화 브라인을 고농도용액으로 사용할 때 해수를 사용할 때 보다 농도차이를 증가시키는 효과에 의하여 역전기투석 장치에서의 출력이 증가하였다. 본 연구에서는 정삼투 공정이 이상적으로 동작할 때 발생 하는 브라인을 고농도용액으로 강물을 저농도용액으로 사용할 때, 최대출력밀도가 1.
담수화 브라인을 고농도용액으로 사용할 때 해수를 사용할 때 보다 농도차이를 증가시키는 효과에 의하여 역전기투석 장치에서의 출력이 증가하였다. 본 연구에서는 정삼투 공정이 이상적으로 동작할 때 발생 하는 브라인을 고농도용액으로 강물을 저농도용액으로 사용할 때, 최대출력밀도가 1.75W/m2까지 발생할 수 있음을 실험적으로 얻었다.
본 연구에서는 다양한 농도 공급원의 조합으로 부터 발생되는 역전기투석 장치의 성능 변화에 대한 평가를 수행하였다. 역전기투석 장치에서 전압은 전류의 증가에 따라 내부저항에 의하여 선형적으로 감소하는 경향을 보였고, 최대출력밀도는 내부저항과 외부저항이 일치하는 최대전류의 절반에서 얻어졌다. 최대출력밀도는 유로두께가 감소하며 공급유량이 증가할수록 증가하는 경향을 보였고, 정미출력은 유로두께가 0.
(19,20) 활성화 손실은 저전류 영역에서 급격한 전압 강하를 유발하고, 저항 손실은 전류변화에 따라 선형적인 거동을 보이며, 농도 손실은 고전류 영역에서 급격한 전압 강하로 나타난다. 역전기투석 장치의 분극 곡선은 전류가 증가할 때 전압 강하가 선형적으로 나타났다. 이를 통해, 활성화 손실과 농도 손실보다 내부저항에 의한 저항 손실이 출력에 지배적임을 알 수 있었다.
실험에서 공급유량은 15mL/min 으로 고정하였고, 4 가지 다른 유로두께에 대하여 평가하였다. 유로두께가 증가할수록 내부저항의 증가에 의하여 역전기투석 장치에서 생성하는 출력이 줄어드는 것이 발견되었다. 펌핑에 의한 출력손실은 유로두께가 줄어들수록 배압(backpressure)의 증가에 의하여 증가하는 경향을 보였다.
역전기투석 장치의 분극 곡선은 전류가 증가할 때 전압 강하가 선형적으로 나타났다. 이를 통해, 활성화 손실과 농도 손실보다 내부저항에 의한 저항 손실이 출력에 지배적임을 알 수 있었다.
역전기투석 장치에서 전압은 전류의 증가에 따라 내부저항에 의하여 선형적으로 감소하는 경향을 보였고, 최대출력밀도는 내부저항과 외부저항이 일치하는 최대전류의 절반에서 얻어졌다. 최대출력밀도는 유로두께가 감소하며 공급유량이 증가할수록 증가하는 경향을 보였고, 정미출력은 유로두께가 0.2mm 에서 공급유량이 22.5mL/min 일 때 0.74W/m2 의 값을 가졌다. 담수화브라인, 해수, 강물, 폐수, 기수를 조합하여 역전기투석 장치에서의 성능 평가를 수행하였고, 이상적으로 동작하는 정삼투 공정에서 발생하는 브라인을 고농도용액으로 강물을 저농도용액으로 사용할 때 1.
유로두께가 증가할수록 내부저항의 증가에 의하여 역전기투석 장치에서 생성하는 출력이 줄어드는 것이 발견되었다. 펌핑에 의한 출력손실은 유로두께가 줄어들수록 배압(backpressure)의 증가에 의하여 증가하는 경향을 보였다. 그러나 본 실험조건에서는 상대적으로 낮은 유량에 의하여 펌핑에 의한 출력 손실이 급격하게 증가하지는 않았고, 따라서 역전기투석 장치에서 생성되는 출력에서 펌프 출력 손실을 제외한 정미(net) 출력은 유로두께가 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
농도차발전이 주목받는 이유는 무엇인가?
농도차발전은 전 세계적으로 높은 잠재적 에너지량으로 인하여 최근 많은 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 양이온과 음이온의 선택적 분리를 통하여 전기를 생성하는 역전기투석을 이용하여 다양한 농도 공급원의 조합으로부터 성능을 평가하였다.
농도차 발전은 어떻게 나뉘어지는가?
최근 신재생에너지 기술 중 하나로 강하구에서 믹싱에 의해 소산되는 에너지를 회수하는 농도차 발전(salinity gradient power, SGP)에 대한 관심이 급증하고 있다.(1) 농도차 발전은 사용되는 막에 따라 크게 압력지연삼투 (pressure retarded osmosis, PRO)와 역전기투석(reverse electrodialysis, RED)로 나눌 수 있다.(2~8) 이 중, 역전기투석 발전은 구동부가 존재하지 않아 높은 신뢰도를 가진다는 점과 직접적인 에너지 변화 과정으로 인해 높은 효율을 가진다는 장점이 있다.
역전기투석 발전이 재조명받게 된 이유는 무엇인가?
역전기투석 발전은 1950 년대에 Pattle(9)에 의하여 처음 제안되었다. 그러나 이온을 선택적으로 투과하는 이온교환막(ion exchange membrane, IEM)의 더딘 발전으로 인해 2000 년대 초반까지 는 연구가 정체되었고, 2000 년대 중반 이후로 이온교환막의 비약적인 발전과 함께 재조명 받고 있다. Fig.
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