클로알칼리(CA) 멤브레인법은 이온전도성 고분자전해질을 이용한 염수전기분해공정을 의미하며, 전통적으로는 가성소다와 염소 생산을 목적으로 하고 있다. CA 멤브레인법은 기존 클로알칼리 공정으로 사용되어왔던 수은법 및 격막법에 비해 환경적 유해성이 낮으며, 에너지비용을 상당히 감소시킬 수 있다는 장점을 나타낸다. 본 총설에서는 멤브레인법의 기본개념 및 특징, 핵심기술에 관한 내용을 다루고자 한다. 또한 높은 에너지비용을 갖는 염수전기분해에 대한 에너지 절감효과를 달성하기 위한 시스템 집적화기술, 산소탈분극전극 기술과 이종 기술과의 하이브리드를 통한 고도 CA 시스템기술의 예로서의 이산화탄소 직접전환기술에 대해 논할 것이다. 마지막으로, 멤브레인법에 기반한 국내외 CA 기술동향을 소개할 것이다.
클로알칼리(CA) 멤브레인법은 이온전도성 고분자전해질을 이용한 염수전기분해공정을 의미하며, 전통적으로는 가성소다와 염소 생산을 목적으로 하고 있다. CA 멤브레인법은 기존 클로알칼리 공정으로 사용되어왔던 수은법 및 격막법에 비해 환경적 유해성이 낮으며, 에너지비용을 상당히 감소시킬 수 있다는 장점을 나타낸다. 본 총설에서는 멤브레인법의 기본개념 및 특징, 핵심기술에 관한 내용을 다루고자 한다. 또한 높은 에너지비용을 갖는 염수전기분해에 대한 에너지 절감효과를 달성하기 위한 시스템 집적화기술, 산소탈분극전극 기술과 이종 기술과의 하이브리드를 통한 고도 CA 시스템기술의 예로서의 이산화탄소 직접전환기술에 대해 논할 것이다. 마지막으로, 멤브레인법에 기반한 국내외 CA 기술동향을 소개할 것이다.
Chlor-alkali (CA) membrane process is based on salined water electrolysis employing cation condutive polymer electrolytes, which has been used for the conventional production of both sodium hydroxide and chlorine gas. The CA membrane process has advantages such as relatively low environmental impact...
Chlor-alkali (CA) membrane process is based on salined water electrolysis employing cation condutive polymer electrolytes, which has been used for the conventional production of both sodium hydroxide and chlorine gas. The CA membrane process has advantages such as relatively low environmental impacts and fairly reduced energy consumption, when compared with diaphragm and mercury process. In this review articles, basic concepts, fundamental characteristics, key technologies of CA membrane process are dealt with in detail. In addition, advanced technologies associated with CA membrane process are described. They include zerogap and oxygen depolarized cathode technologies to improve energy efficiency during the electrolysis. Carbon dioxide mineralization technology will also be introduced as an example of hybridization with different technologies. Finally, current market trend in CA membrane process will be presented.
Chlor-alkali (CA) membrane process is based on salined water electrolysis employing cation condutive polymer electrolytes, which has been used for the conventional production of both sodium hydroxide and chlorine gas. The CA membrane process has advantages such as relatively low environmental impacts and fairly reduced energy consumption, when compared with diaphragm and mercury process. In this review articles, basic concepts, fundamental characteristics, key technologies of CA membrane process are dealt with in detail. In addition, advanced technologies associated with CA membrane process are described. They include zerogap and oxygen depolarized cathode technologies to improve energy efficiency during the electrolysis. Carbon dioxide mineralization technology will also be introduced as an example of hybridization with different technologies. Finally, current market trend in CA membrane process will be presented.
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문제 정의
대표적인 시스템 최적화 기술로는 CA 핵심부품간의 저항요소를 최소화하기 위한 zerogap이라 불리우는 시스템 집적화기술을 들 수 있다. 본 총설에서 소개된 핵심소재 개량기술로는, 수소발생이 이루어져 분극에 의한 과전압이 부가되는 전형적인 환원극 대신 산소를 공급하여 환원전위를 낮추는 ODC 기술을 소개하였다.
격막법과 수은법이 갖는 기술적, 환경적 이슈들로 인해, 1970년대 이후 CA 산업에 있어 이온선택성 고분자 전해질 소재를 이용하는 멤브레인법이라는 새로운 방식의 CA 공정기술이 나타나게 되었고, 기존 격막법과 수은법에 기반한 CA 시스템을 대체하고 있는 상태이다[19]. 본 총설에서는 고에너지비용 및 환경문제로부터 상대적으로 자유로운 멤브레인법에 대한 기본개념, 운용상의 특징, 멤브레인법의 핵심기술인 이온전도성 고분자전해질막 및 전극재료에 관한 내용을 다루고자 한다. 더해서, 멤브레인법에 기반한 최신 CA 기술동향을 시스템 집적화기술(zerogap) 및 산소탈분극전극(oxygen depolarized cathode; ODC), CA 기술이 통합된 하이브리드시스템을 활용한 이산화탄소 전환기술을 중심으로 논할 것이다.
가설 설정
기본적인 에너지비용 절감방안에 대한 기술적 바탕은, 멤브레인법에 기반한 CA 시스템에서 이루어지는 과전압 및 저항요소를 최대한 줄이는데 있다. 본 총설에서는 에너지 효율 증가를 위한 1) 집적화 기술과 2) 산소탈분극전극 기술에 대한 내용을 다룰 것이다. 더해서, 전통적인 염소 및 가성소다를 생산하기 위한 공정에서 진일보하여, 다른 기술과 하이브리드된 시스템 형성을 통해 새로운 시장을 창출하는 spin-off 기술에 대해서 논의될 것이다.
제안 방법
9. 환원극으로 수소발생전극(좌)과 ODC전극(우)을 채택한 CA 단위셀별 소요전력량 비교.
대상 데이터
12). 실례로서, 2012년 중국의 가성소다 생산량은 2.7천만 톤으로 전년대비 약 9.4%성장하였으며, 염소가스를 원료로 하는 Poly(vinyl chloride) (PVC) 시장은 1.3천만 톤으로 1.7% 증가를 보였다. 하지만, 설비과다로 인해 공장가동률은 오히려 전년도 대비 2.
염소가스제조를 위한 산화극 소재로는 백금(Platinum, Pt)과 자철광(magnetite), 흑연(Graphite) 등이 사용되었다. 하지만, 백금의 경우 초기에는 백금 판의 형태로 제작되어 높은 제조단가로 인해 공정적용에 한계를 드러내었다.
성능/효과
(4) 대신 eqn. (5) 반응이 이루어지게 되며, 결과적으로 CA 전체반응에 대한 이론 전압값은 0.96 V으로 현저히 낮아지게 된다. 현상학적으로는 환원극에서 전자를 얻어 수소가스를 발생시키는 대신 산소를 도입시켜 물을 분해하여, 수소로 인한 분극작용을 최소화하는 것으로 ODC 기술은 이해될 수 있다.
ODC 기술을 통해 수소발생전극을 채택한 CA 시스템 대비 최대 33%의 에너지절감효과를 달성할 수 있다. 최근에는 가성소다 및 염소가스를 생산하기 위한 전통적인 CA공정기술을 넘어, 이종 시스템과의 접목되어 다양한 반응화합물을 생산해내는 하이브리드기술이 도입되어지고 있다.
후속연구
본 총설에서는 고에너지비용 및 환경문제로부터 상대적으로 자유로운 멤브레인법에 대한 기본개념, 운용상의 특징, 멤브레인법의 핵심기술인 이온전도성 고분자전해질막 및 전극재료에 관한 내용을 다루고자 한다. 더해서, 멤브레인법에 기반한 최신 CA 기술동향을 시스템 집적화기술(zerogap) 및 산소탈분극전극(oxygen depolarized cathode; ODC), CA 기술이 통합된 하이브리드시스템을 활용한 이산화탄소 전환기술을 중심으로 논할 것이다. 마지막으로, 멤브레인법에 기반한 국내외 CA 시장동향을 다룰 것이다.
본 총설에서는 에너지 효율 증가를 위한 1) 집적화 기술과 2) 산소탈분극전극 기술에 대한 내용을 다룰 것이다. 더해서, 전통적인 염소 및 가성소다를 생산하기 위한 공정에서 진일보하여, 다른 기술과 하이브리드된 시스템 형성을 통해 새로운 시장을 창출하는 spin-off 기술에 대해서 논의될 것이다.
따라서, 이러한 문제점을 타개하기 위해서는 CA 멤브레인법에 기반한 시스템기술 및 부품 소재기술의 국산화가 선결되어야 한다. 또한 CA 멤브레인법을 위한 원료수급구조의 이해를 바탕으로 공정운영의 안정성을 향상시키기 위한 노력 또한 필요할 것이다.
더해서, 멤브레인법에 기반한 최신 CA 기술동향을 시스템 집적화기술(zerogap) 및 산소탈분극전극(oxygen depolarized cathode; ODC), CA 기술이 통합된 하이브리드시스템을 활용한 이산화탄소 전환기술을 중심으로 논할 것이다. 마지막으로, 멤브레인법에 기반한 국내외 CA 시장동향을 다룰 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
멤브레인법에 기반한 이온전도성 고분자전해질막의 기본 요건은?
∙ 높은 이온전도도(예 : Na+ ion conductivity)
∙ 강염기(예 : > 32 wt% NaOH)와 강산(예 : Cl2 및 HCl)에 대한 우수한 내화학성
∙ 염소 및 수소가스에 대한 배리어성
∙ 높은 전기화학적 안정성
∙ 높은 내열성(~60-90°C)
∙ 우수한 가공성
∙ 저렴한 생산단가
클로알칼리(CA) 멤브레인법이란 무엇인가?
클로알칼리(CA) 멤브레인법은 이온전도성 고분자전해질을 이용한 염수전기분해공정을 의미하며, 전통적으로는 가성소다와 염소 생산을 목적으로 하고 있다. CA 멤브레인법은 기존 클로알칼리 공정으로 사용되어왔던 수은법 및 격막법에 비해 환경적 유해성이 낮으며, 에너지비용을 상당히 감소시킬 수 있다는 장점을 나타낸다.
CA 멤브레인법의 장점은?
클로알칼리(CA) 멤브레인법은 이온전도성 고분자전해질을 이용한 염수전기분해공정을 의미하며, 전통적으로는 가성소다와 염소 생산을 목적으로 하고 있다. CA 멤브레인법은 기존 클로알칼리 공정으로 사용되어왔던 수은법 및 격막법에 비해 환경적 유해성이 낮으며, 에너지비용을 상당히 감소시킬 수 있다는 장점을 나타낸다. 본 총설에서는 멤브레인법의 기본개념 및 특징, 핵심기술에 관한 내용을 다루고자 한다.
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