[논문]역전기투석 응용을 위한 이오노머가 코팅된 세공충진 이온교환막의 제조 및 특성분석

김도형; 강문성

doi:10.14579/membrane_journal.2016.26.1.43

역전기투석 응용을 위한 이오노머가 코팅된 세공충진 이온교환막의 제조 및 특성분석
Preparation and Characterizations of Ionomer-coated Pore-filled Ion-exchange Membranes for Reverse Electrodialysis 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.26 no.1, 2016년, pp.43 - 54

초록
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본 연구에서는 역전기투석 응용을 위해 엔지니어링 고분자 기반의 이오노머와 다공성 폴리에틸렌 지지체를 사용한 세공충진 이온교환막을 제조하고 이를 결합한 이오노머-세공충진 복합막을 제조하였다. 이온전도도가 높은 이오노머와 우수한 기계적 강도를 가진 세공충진막을 결합함으로써 상용 이온교환막(AMX/CMX, Astom Corp., Japan) 대비 동등 수준의 전기화학적 특성 및 응용에 적합한 물리적 안정성을 확보할 수 있었다. 제조된 이오노머-세공충진 복합막을 이용하여 역전기투석 성능을 평가한 결과 상용막 대비 음이온 교환막의 경우 86.4%, 양이온 교환막은 104.8% 수준의 우수한 발전성능을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we have prepared engineering polymer-based ionomers and pore-filled ion-exchange membranes (PFIEMs) employing a porous polyethylene substrate and combined them to fabricate the ionomer-PFIEM composite membranes for the reverse electrodialysis (RED) application. Both the electrochemical properties comparable to those of the commercial ion-exchange membranes (AMX/CMX, Astom Corp., Japan) and the physical stability adaptable to the practical uses have been achieved by integrating the ionomers having a high ion conductivity and the PFIEMs with an excellent mechanical strength. The RED performances have been evaluated by employing the prepared ionomer-PFIEM composite membranes and therefore excellent power generation performances were shown as the levels of 86.4% and 104.8% for the anion-exchange membrane and cation-exchange membrane, respectively, compared with those of the commercial membranes.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

한편 다공성 폴리올레핀 지지체를 사용하는 세공충진막은 얇은 두께에도 충분한 기계적 강도를 가질 수 있는 장점을 가지고 있으나 동시에 조건에 따라 이온전도도가 충분하지 못하며 얇은 두께로 인해 실제 응용 시 이온선택투과도가 저하되는 문제점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 이온교환막과 지지체 역할을 동시에 수행할 수 있는 세공충진막에 높은 이온전도도를 가진 이오노머를 코팅한 이오노머-세공충진 복합 이온교환막을 제조하였다. 실험결과 이오노머-세공충진 복합막은 이오노머의 장점인 높은 이온전도도와 세공충진막의 우수한 물리적 강도를 동시에 구현할 수 있음을 확인하였다.
1에 이오노머-세공충진 강화복합막의 제조과정을 간략하게 도시하였다. 또한 본 연구에서는 제조된 이온교환막 및 상용막(AMX/CMX, Astom Corp., Japan)에 대한 다양한 전기화학적 및 물리적 특성 분석과 역전기투석 성능 평가가 수행되었다.
본 연구에서는 역전기투석 응용을 위한 이오노머-세공충진 복합 이온교환막을 제조하고 특성분석을 수행하였다. 엔지니어링 고분자 기반의 이오노머는 제조 공정이 비교적 간단하고 우수한 이온교환능 및 낮은 전기적 저항의 장점을 가지고 있다.

제안 방법

(6) (modified Sand’s equation)에 대입하여 이온교환막 표면의 전도영역 비율을 산정하였다[33,34].
유량은 50 mL/min으로 공급하였고, PTEF 재질로 만든 1 mm 두께의 가스캣을 사용하였다. 5-셀 페어로 고정하였으며 각각의 단계에서 30초 동안 18단계로 전류 밀도(0~14 A m^-2)를 변화시키며 실험하였다. 본 실험에서 사용된 역전기투석 스택은 stainless steel 및 강화플라스틱 재질로 제작되었으며 따라서 실험에 필요한 충분한 기계적인 강도를 제공하였다.
제조된 brominated PPO (BPPO)를 공용매인 dimethylformamide (DMF)와 TMA 수용액(45 wt% in water)의 혼합용액에 녹여 코팅이 가능한 음이온교환 quaternized PPO (QPPO) 이오노머 용액을 제조하였다. BPPO는 용액의 총 무게 대비 15 wt% 농도로 첨가되었으며 BPPO의 repeating unit 대 TMA의 몰 비율을 1 : 1로 고정하였다.
PEEK (450PF, Dict, Korea)에 술폰산 양이온 교환기를 도입하기 위해 둥근바닥 플라스크에 묽은 황산을 넣고 총 무게 대비 20 wt%로 PEEK를 넣은 후, 50°C에서 24시간 동안 술폰화 반응을 진행하였다.
PPO (Aldrich)에 4차 암모늄 음이온 교환기를 치환하기 위해 먼저 브롬화(bromination) 반응을 통해 벤젠링의 aryl 위치에 브롬을 치환하였다. 이를 위해 PPO를 chlorobenzene에 8 wt%으로 녹인 후에 131°C로 온도를 유지하였다.
전류-전압 곡선(I-V curve)도 동일한 2-compartment cell을 이용하여 측정되었다. Potentiostat/galvanostat (SP-150, Bio-Logic Science Instruments, France)을 Ag/AgCl plate 전극에 연결하여 전압을 10 mV/s의 속도로 0에서 5 V로 증가시키며 한 쌍의 Ag/AgCl 전극을 이용하여 막 양단에 흐르는 전류 변화를 측정하였다. 또한 대전위 전위차법(chronopotentiometry)을 이용하여 이온교환막의 전기화학적 특성 및 멤브레인 표면의 전도영역 비율(ε)을 측정하였다.
Tables 1 및 2에 제조된 이오노머, 기저 세공충진막, 이오노머가 코팅된 세공충진 복합막, 그리고 상용막의 물리적 및 전기화학적 특성을 정리하였다. Table 1에 정리된 바와 같이 제조된 PFAEM은 상용막 대비 높은 이온교환용량을 가지고 있으나 높은 가교도로 인해 함수율과 이온전도도는 상대적으로 낮음을 알 수 있다.
모든 시약은 Aldrich에서 구매하였으며 별도의 정제 없이 사용하였다. VBC와 Sty 단량체의 몰 비율은 3 : 1로 고정을 하였으며 DVB 및 개시제의 함량은 각각 총 단량체 무게 기준 20 wt%와 2 wt%로 제조하였다. 세척된 다공성 기재를 상기 단량체 용액에 1시간 동안 상온에서 함침 시켜 세공에 단량체가 충진될 수 있도록 하였다.
양이온교환 고분자 제조를 위한 단량체로 Sty을 선정하였고 음이온교환 고분자와 마찬가지로 가교제로 DVB를 사용하였으며 개시제도 BPO를 사용하였다. 단량체 용액의 조성은 Sty 75 wt%, DVB 25 wt%로 고정하였고 BPO는 총 중량 기준으로 2 wt%를 첨가하였다. 그 후 단량체 함침 및 중합 과정은 음이온교환 세공충진막과 동일하게 진행하였다.
따라서 본 연구에서는 엔지니어링 고분자인 poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) (PPO) 및 poly(ether ether ketone) (PEEK)을 기저물질로 이용하여 각각 quaternization 및 sulfonation 반응을 통해 높은 이온전도도를 갖는 음이온교환 및 양이온교환 이오노머를 제조하였다. 또한 약 25 μm 두께의 polyethylene 다공성 필름에 이온교환 고분자를 충진시킨 세공충진막을 함께 제조하였다.
또한 대전위 전위차법(chronopotentiometry)을 이용하여 이온교환막의 전기화학적 특성 및 멤브레인 표면의 전도영역 비율(ε)을 측정하였다.
또한 본 실험을 통하여 이온교환막 표면의 전도영역 비율(ε)을 측정하였으며 그 결과를 Tables 1 및 2에 정리하였다.
또한 약 25 μm 두께의 polyethylene 다공성 필름에 이온교환 고분자를 충진시킨 세공충진막을 함께 제조하였다.
먼저 제조된 이오노머 및 세공충진 멤브레인의 이온 교환기 치환을 확인하기 위해 FT-IR 분석을 수행하였다. Fig.
PEEK (450PF, Dict, Korea)에 술폰산 양이온 교환기를 도입하기 위해 둥근바닥 플라스크에 묽은 황산을 넣고 총 무게 대비 20 wt%로 PEEK를 넣은 후, 50°C에서 24시간 동안 술폰화 반응을 진행하였다. 반응 후 고분자 용액을 차가운 증류수에 침전시켜 이온교환 고분자를 얻었다. 잉여의 황산을 제거하기 위해 pH가 중성이 될 때까지 수차례 증류수로 세척한 후, 진공오븐에서 60°C에서 12시간 이상 건조시켰다.
이어 chlorobenzene에 Br₂를 20 wt%으로 녹인 용액을 조금씩 적하시키며 10시간 동안 질소 분위기에서 반응을 진행하였다. 본 실험에서는 PPO의 repeating unit과 Br₂의 몰 비율을 1 : 1로 고정하여 실험하였다. 브롬화 반응이 끝난 후 고분자 용액을 메탄올에 천천히 교반하면서 침전시켰다.
이온교환막의 인장강도는 universal testing machine (5567 model, Instron)을 이용하여 dry 및 wet 조건에서 국제규격(ASTM method D-882-79)에 따라 측정되었다. 상용막 및 제조된 이온교환막의 이온전도도는 실험실에서 제작한 2-point probe 클립 셀(clip cell)을 이용하여 0.5 M NaCl 수용액 조건에서 측정하였다. 함수율(water uptake, WU)은 멤브레인의 젖은 무게와 건조 무게의 차이를 측정하여 산정되었으며 양이온 교환막과 음이온 교환막의 이온교환용량(ion-exchange capacity, IEC)은 각각 치환된 H⁺ 및 Cl^- 이온의 양을 적정을 통해 정량분석하여 측정되었다.
VBC와 Sty 단량체의 몰 비율은 3 : 1로 고정을 하였으며 DVB 및 개시제의 함량은 각각 총 단량체 무게 기준 20 wt%와 2 wt%로 제조하였다. 세척된 다공성 기재를 상기 단량체 용액에 1시간 동안 상온에서 함침 시켜 세공에 단량체가 충진될 수 있도록 하였다. 이어 두 장의 이형필름 사이에 단량체가 충진된 고분자 기재를 위치하고 롤링을 통해 밀착시킴으로써 잉여의 모노머를 제거하고 다시 두 장의 유리판 사이에 삽입한 후 캡톤 테이프로 봉지하여 중합 과정 중 산소와의 접촉 및 단량체의 유실을 방지하였다.
는 NaCl 용액의 농도로 각 각 1 mM과 5 mM으로 실험하였다. 셀 전위는 한 쌍의 Ag/AgCl 전극을 디지털 전압계에 연결하여 측정하였다. 전류-전압 곡선(I-V curve)도 동일한 2-compartment cell을 이용하여 측정되었다.
역전기투석에서의 이온선택투과성을 나타내는 permselectivity는 실험실에서 제작한 2-compartment flowing cell을 이용하여 측정하였다. 양 compartment 사이에 이온교환막이 위치하도록 한 후 각각 해수(0.513 M NaCl)와 담수(0.017 M NaCl) 용액이 50 mL/min의 유량으로 순환하도록 하였다. 그리고 막의 전위를 한 쌍의 Ag/AgCl 기준전극을 사용하여 30분 간 측정한 후 측정값의 평균을 구하였으며 이 결과를 Eq.
여기에서 E_m은 측정된 셀 전위, R은 기체상수, T는 절대온도, F는 Faraday 상수이며 C_L과 C_H는 NaCl 용액의 농도로 각 각 1 mM과 5 mM으로 실험하였다. 셀 전위는 한 쌍의 Ag/AgCl 전극을 디지털 전압계에 연결하여 측정하였다.
역전기투석 성능은 실험실에서 제작한 스택과 potentiostat/galvanostat을 연결하여 galvanostatic 모드에서 측정되었다. 전극 및 이온교환막의 유효면적은 15 cm²이었으며 전극으로 Ti/Pt 전극을 사용하였다.
는 각각 멤브레인 상과 용액 상에서의 이온수송수이다. 역전기투석에서의 이온선택투과성을 나타내는 permselectivity는 실험실에서 제작한 2-compartment flowing cell을 이용하여 측정하였다. 양 compartment 사이에 이온교환막이 위치하도록 한 후 각각 해수(0.
이어 4차 암모늄기를 도입하기 위해 1 M trimethylamine (TMA) 수용액에 기저막을 함침 하여 50°C에서 5시간 동안 암모늄화 반응(quaternization)을 진행하였다.
세척된 다공성 기재를 상기 단량체 용액에 1시간 동안 상온에서 함침 시켜 세공에 단량체가 충진될 수 있도록 하였다. 이어 두 장의 이형필름 사이에 단량체가 충진된 고분자 기재를 위치하고 롤링을 통해 밀착시킴으로써 잉여의 모노머를 제거하고 다시 두 장의 유리판 사이에 삽입한 후 캡톤 테이프로 봉지하여 중합 과정 중 산소와의 접촉 및 단량체의 유실을 방지하였다. 열중합은 80°C 오븐에서 3시간 동안 진행되었다.
또한 약 25 μm 두께의 polyethylene 다공성 필름에 이온교환 고분자를 충진시킨 세공충진막을 함께 제조하였다. 이어 세공충진막 위에 엔지니어링 고분자 기반의 이오노머를 코팅하여 이오노머-세공충진 강화복합막을 제조하였다. 이 경우 이오노머의 높은 이온 전도도와 세공충진막의 우수한 물리적 강도가 더해져 우수한 전기화학적 특성 및 기계적 물성을 갖는 이온교환막을 제조할 수 있을 것으로 기대되었다.
또한 대전위 전위차법(chronopotentiometry)을 이용하여 이온교환막의 전기화학적 특성 및 멤브레인 표면의 전도영역 비율(ε)을 측정하였다. 전류-전압 곡선 측정 시와 동일한 전해질 용액 및 실험 장치를 사용하였으며 일정 전류(3.5 mA)를 인가하고 100초 동안의 막전위의 변화를 측정하였다. 또한 측정된 전이시간(transition time, τ)을 다음 Eq.
제조된 이오노머, 기저 세공충진막, 이오노머가 코팅된 세공충진 복합막, 그리고 상용막(AMX/CMX, Astom Corp.)의 전기화학적 특성을 함께 비교평가 하였다. Fig.
중합이 완료된 후 이형필름으로부터 분리시킨 기저막을 황산과 chlorosulfonic acid가 각각 50 wt%로 혼합된 용액에 담가 양이온 교환기를 도입하는 술폰화 반응을 30°C 조건에서 10시간 동안 진행하였다.
이오노머-세공충진 복합막은 상기 제조된 QPPO 이오노머 용액을 PFAEM에 캐스팅하고 또한 SPEEK 이오노머 용액을 PFCEM에 캐스팅하여 제조되었다. 층간의 접착특성을 향상시키기 위해 캐스팅 전 세공충진막의 한쪽 표면을 sand paper를 이용하여 거칠게 하였다. 이오노머 코팅층의 두께는 30~35 μm로 조절하였으며 캐스팅 후 상온에서 3시간, 40°C 진공상태에서 12시간 동안 건조하였다.
5 M NaCl 수용액 조건에서 측정하였다. 함수율(water uptake, WU)은 멤브레인의 젖은 무게와 건조 무게의 차이를 측정하여 산정되었으며 양이온 교환막과 음이온 교환막의 이온교환용량(ion-exchange capacity, IEC)은 각각 치환된 H⁺ 및 Cl^- 이온의 양을 적정을 통해 정량분석하여 측정되었다. 이온교환막의 선택투과성을 나타내는 이온수송수(transport number, # for anion and # for cation)는 2-compartment diffusion cell을 이용한 emf 방법으로 측정되었으며 계산식은 Eq.
25 M Na₂SO₄ 수용액에 녹여 사용하였다. 해수와 담수의 농도는 각각 0.513 M NaCl과 0.017 M NaCl이었으며 각각 100 mL씩 순환시키며 실험하였다. 유량은 50 mL/min으로 공급하였고, PTEF 재질로 만든 1 mm 두께의 가스캣을 사용하였다.

대상 데이터

음이온교환 고분자 제조를 위한 단량체로는 styrene (Sty)과 vinylbenzyl chloride (VBC)를 선택하였다. 가교제로는 divinylbenzene (DVB)을 선정하였다. 열중합을 위한 개시제로 benzoyl peroxide (BPO)를 사용하였다.
열중합을 위한 개시제로 benzoyl peroxide (BPO)를 사용하였다. 모든 시약은 Aldrich에서 구매하였으며 별도의 정제 없이 사용하였다. VBC와 Sty 단량체의 몰 비율은 3 : 1로 고정을 하였으며 DVB 및 개시제의 함량은 각각 총 단량체 무게 기준 20 wt%와 2 wt%로 제조하였다.
5-셀 페어로 고정하였으며 각각의 단계에서 30초 동안 18단계로 전류 밀도(0~14 A m^-2)를 변화시키며 실험하였다. 본 실험에서 사용된 역전기투석 스택은 stainless steel 및 강화플라스틱 재질로 제작되었으며 따라서 실험에 필요한 충분한 기계적인 강도를 제공하였다. Fig.
전극 및 이온교환막의 유효면적은 15 cm²이었으며 전극으로 Ti/Pt 전극을 사용하였다. 산화/환원쌍을 포함한 전극조 전해질로 0.05 M K₄Fe(CN)₆(Ⅱ)/0.05 M K₃Fe(CN)₆(Ⅲ)를 0.25 M Na₂SO₄ 수용액에 녹여 사용하였다. 해수와 담수의 농도는 각각 0.
세공충진 이온교환막을 제조하기 위해 이차전지용 분리막으로 사용되고 있는 폴리에틸렌 재질의 다공성 필름을 기재로 사용하였다(Hipore, thickness = 25 μm, porosity = 48.5%, tortuosity = 4.74, pore size = 0.05~1, Asahi Kasei E-materials Corp., Japan).
양이온교환 고분자 제조를 위한 단량체로 Sty을 선정하였고 음이온교환 고분자와 마찬가지로 가교제로 DVB를 사용하였으며 개시제도 BPO를 사용하였다. 단량체 용액의 조성은 Sty 75 wt%, DVB 25 wt%로 고정하였고 BPO는 총 중량 기준으로 2 wt%를 첨가하였다.
가교제로는 divinylbenzene (DVB)을 선정하였다. 열중합을 위한 개시제로 benzoyl peroxide (BPO)를 사용하였다. 모든 시약은 Aldrich에서 구매하였으며 별도의 정제 없이 사용하였다.
음이온교환 고분자 제조를 위한 단량체로는 styrene (Sty)과 vinylbenzyl chloride (VBC)를 선택하였다. 가교제로는 divinylbenzene (DVB)을 선정하였다.
역전기투석 성능은 실험실에서 제작한 스택과 potentiostat/galvanostat을 연결하여 galvanostatic 모드에서 측정되었다. 전극 및 이온교환막의 유효면적은 15 cm²이었으며 전극으로 Ti/Pt 전극을 사용하였다. 산화/환원쌍을 포함한 전극조 전해질로 0.
수차례 세척을 한 후 진공오븐을 이용하여 60°C에서 12시간 이상 건조하였다. 제조된 brominated PPO (BPPO)를 공용매인 dimethylformamide (DMF)와 TMA 수용액(45 wt% in water)의 혼합용액에 녹여 코팅이 가능한 음이온교환 quaternized PPO (QPPO) 이오노머 용액을 제조하였다. BPPO는 용액의 총 무게 대비 15 wt% 농도로 첨가되었으며 BPPO의 repeating unit 대 TMA의 몰 비율을 1 : 1로 고정하였다.
잉여의 황산을 제거하기 위해 pH가 중성이 될 때까지 수차례 증류수로 세척한 후, 진공오븐에서 60°C에서 12시간 이상 건조시켰다. 제조된 sulfonated PEEK (SPEEK)를 dimethylacetamide (DMAc) 용매에 20 wt%로 녹여 코팅이 가능한 양이온교환 SPEEK 이오노머 용액을 제조하였다.
특성 비교를 위한 상용 이온교환막으로는 Astom사의 AMX 음이온 교환막과 CMX 양이온 교환막을 선정하였다. 이온교환막의 인장강도는 universal testing machine (5567 model, Instron)을 이용하여 dry 및 wet 조건에서 국제규격(ASTM method D-882-79)에 따라 측정되었다.

데이터처리

017 M NaCl) 용액이 50 mL/min의 유량으로 순환하도록 하였다. 그리고 막의 전위를 한 쌍의 Ag/AgCl 기준전극을 사용하여 30분 간 측정한 후 측정값의 평균을 구하였으며 이 결과를 Eq. (7)에 대입하여 역전기투석에서의 apparent permselectivity (α_AP)를 산정하였다.

이론/모형

특성 비교를 위한 상용 이온교환막으로는 Astom사의 AMX 음이온 교환막과 CMX 양이온 교환막을 선정하였다. 이온교환막의 인장강도는 universal testing machine (5567 model, Instron)을 이용하여 dry 및 wet 조건에서 국제규격(ASTM method D-882-79)에 따라 측정되었다. 상용막 및 제조된 이온교환막의 이온전도도는 실험실에서 제작한 2-point probe 클립 셀(clip cell)을 이용하여 0.

성능/효과

이온수송수와 대전위 전위차 곡선으로부터 결정된 전도영역 비율(ε)의 경우 시료 간에 유의차가 없었으며 상용막과 비교하여 동등 이상의 특성을 나타내었다. Table 2에 정리된 양이온 교환막의 경우에도 상기와 유사한 결과를 나타내었으며 종합적으로 이오노머가 코팅된 세공충진 복합막은 상용막 대비 우수한 이온전도성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
측정된 시편의 두께가 일정하지 않아 정확한 비교는 어려우나 제조된 이온교환막 보다 두께가 두꺼운 상용막이 상대적으로 우수한 물리적 강도를 나타내었다. 강화 지지체를 포함하지 않은 QPPO 및 SPEEK 이오노머 멤브레인의 인장 강도가 가장 낮음을 알 수 있으며 이오노머-세공충진 복합막의 인장 강도는 이에 비해 크게 향상되었음을 확인할 수 있었다. 이는 기저 세공충진 이온교환막이 이오노머 층에 대한 물리적 강화 지지체로서 작용한 결과로 해석된다.
Table 4에 정리된 바와 같이 본 연구에서 제조된 이오노머-세공충진 복합막은 permselectivity가 상용막과 비교하여 다소 열세이며 이로 인해 OCV가 저하되었다. 그러나 상용막과 대비하여 얇은 막 두께 및 높은 이온전도도를 가짐으로써 스택 저항을 낮출 수 있었고 이로 인해 상용막과 동등 수준의 역전기투석 발전 성능을 나타냄을 실험을 통해 확인할 수있었다. 현재 기저 세공충진막과 이오노머층의 최적 조성 및 막 두께를 결정하는 실험을 진행하고 있으며 이와 같은 최적화를 통해 상용막 대비 우수한 역전기투석 발전성능을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
이는 상대적으로 낮은 이온전도도와 얇은 막 두께로 인한 permselectivity 감소에 따른 결과로 해석되었다. 그러나 이오노머가 코팅된 QPPO-PFAEM을 적용한 경우 이온전도도의 향상과 permselectivity의 증가를 통해 최대 전력밀도 값이 증가하여 상용막을 사용한 경우와 근접하는 결과를 확인할 수 있었다. 또한 Fig.
또한 Fig. 7에 나타낸 대전위 전위차 곡선을 통하여 앞선 전류-전압 특성과 마찬가지로 제조된 이온교환막들이 상용막과 동등 수준의 이온선택성 및 전기화학적 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 본 실험을 통하여 이온교환막 표면의 전도영역 비율(ε)을 측정하였으며 그 결과를 Tables 1 및 2에 정리하였다.
이는 기저 세공충진 이온교환막이 이오노머 층에 대한 물리적 강화 지지체로서 작용한 결과로 해석된다. 또한 이오노머-세공충진 복합막의 인장 강도가 상용막에 비해 낮은 수준이나 실 응용에는 문제없는 수준으로 판단되었다. 실험 중 이오노머와 세공충진막 간의 박리현상은 관찰되지 않았으며 이는 이오노머 코팅 전 세공충진막 표면을 sand paper를 이용하여 거칠게 처리함으로써 층간에 충분한 접착력을 가지고 있음을 의미한다.
또한 이오노머-세공충진 복합막의 인장 강도가 상용막에 비해 낮은 수준이나 실 응용에는 문제없는 수준으로 판단되었다. 실험 중 이오노머와 세공충진막 간의 박리현상은 관찰되지 않았으며 이는 이오노머 코팅 전 세공충진막 표면을 sand paper를 이용하여 거칠게 처리함으로써 층간에 충분한 접착력을 가지고 있음을 의미한다.
따라서 본 연구에서는 이온교환막과 지지체 역할을 동시에 수행할 수 있는 세공충진막에 높은 이온전도도를 가진 이오노머를 코팅한 이오노머-세공충진 복합 이온교환막을 제조하였다. 실험결과 이오노머-세공충진 복합막은 이오노머의 장점인 높은 이온전도도와 세공충진막의 우수한 물리적 강도를 동시에 구현할 수 있음을 확인하였다. 제조된 이오노머-세공충진 복합막은 상용 이온교환막 대비 동등 수준의 전기화학적 특성을 나타내었으며 역전기투석 특성평가 결과 역시 우수한 발전성능을 확인할 수 있었다.
4(b)에 정리된 PFCEM 및 SPEEK의 경우 설폰화 반응 후 sulfonic acid group에 할당된 피크들이 1123, 1014, 및 707 cm^-1 등에서 관찰되었다[37]. 이상의 결과로부터 제조된 이오노머 및 세공충진 멤브레인에 이온 교환기가 성공적으로 치환되었음을 확인할 수 있었다.
측정된 모든 시료들은 ohmic region, 한계전류밀도(limiting current density, LCD)에서 막표면에서의 이온농도가 0에 가까워지며 전압이 급격히 증가하는 plateau region, 그리고 전기대류(electro-convection) 및 물분해에 의한 전류증가로 설명되는 over-LCD region을 나타내는 전형적인 이온교환막의 전류-전압 특성을 나타내었다. 제조된 이오노머 막 및 세공충진막들은 상용 이온교환막과 비교하여 매우 유사한 전류-전압 특성을 나타내었으며 따라서 상용막에 준하는 우수한 이온선택성 및 전기화학적 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.
실험결과 이오노머-세공충진 복합막은 이오노머의 장점인 높은 이온전도도와 세공충진막의 우수한 물리적 강도를 동시에 구현할 수 있음을 확인하였다. 제조된 이오노머-세공충진 복합막은 상용 이온교환막 대비 동등 수준의 전기화학적 특성을 나타내었으며 역전기투석 특성평가 결과 역시 우수한 발전성능을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 제안한 이오노머-세공충진 복합막은 이온교환막의 문제점인 제조단가를 낮추고 동시에 역전기투석을 비롯한 다양한 탈염 및 에너지 전환 공정 등에 적용되어 우수한 성능을 발휘할 수 있을 것으로 기대된다.
6에 상용막 및 본 연구에서 제조된 이온교환막들의 전류-전압 곡선을 도시하였다. 측정된 모든 시료들은 ohmic region, 한계전류밀도(limiting current density, LCD)에서 막표면에서의 이온농도가 0에 가까워지며 전압이 급격히 증가하는 plateau region, 그리고 전기대류(electro-convection) 및 물분해에 의한 전류증가로 설명되는 over-LCD region을 나타내는 전형적인 이온교환막의 전류-전압 특성을 나타내었다. 제조된 이오노머 막 및 세공충진막들은 상용 이온교환막과 비교하여 매우 유사한 전류-전압 특성을 나타내었으며 따라서 상용막에 준하는 우수한 이온선택성 및 전기화학적 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.
또한 상용막 및 제조된 이온교환막의 인장 강도를 측정한 결과를 Table 3에 비교 정리하였다. 측정된 시편의 두께가 일정하지 않아 정확한 비교는 어려우나 제조된 이온교환막 보다 두께가 두꺼운 상용막이 상대적으로 우수한 물리적 강도를 나타내었다. 강화 지지체를 포함하지 않은 QPPO 및 SPEEK 이오노머 멤브레인의 인장 강도가 가장 낮음을 알 수 있으며 이오노머-세공충진 복합막의 인장 강도는 이에 비해 크게 향상되었음을 확인할 수 있었다.
9에 비교 도시한 양이온 교환막의 경우에도 상기와 유사한 결과가 관찰되었다. 특히 상용 양이온 교환막을 대체하여 SPEEK-PFCEM을 사용한 경우 보다 우수한 역전기투석 성능을 얻을 수 있음을 알 수 있었다. Table 4에 정리된 바와 같이 본 연구에서 제조된 이오노머-세공충진 복합막은 permselectivity가 상용막과 비교하여 다소 열세이며 이로 인해 OCV가 저하되었다.

후속연구

제조된 이오노머-세공충진 복합막은 상용 이온교환막 대비 동등 수준의 전기화학적 특성을 나타내었으며 역전기투석 특성평가 결과 역시 우수한 발전성능을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 제안한 이오노머-세공충진 복합막은 이온교환막의 문제점인 제조단가를 낮추고 동시에 역전기투석을 비롯한 다양한 탈염 및 에너지 전환 공정 등에 적용되어 우수한 성능을 발휘할 수 있을 것으로 기대된다.
이어 세공충진막 위에 엔지니어링 고분자 기반의 이오노머를 코팅하여 이오노머-세공충진 강화복합막을 제조하였다. 이 경우 이오노머의 높은 이온 전도도와 세공충진막의 우수한 물리적 강도가 더해져 우수한 전기화학적 특성 및 기계적 물성을 갖는 이온교환막을 제조할 수 있을 것으로 기대되었다. Fig.
그러나 상용막과 대비하여 얇은 막 두께 및 높은 이온전도도를 가짐으로써 스택 저항을 낮출 수 있었고 이로 인해 상용막과 동등 수준의 역전기투석 발전 성능을 나타냄을 실험을 통해 확인할 수있었다. 현재 기저 세공충진막과 이오노머층의 최적 조성 및 막 두께를 결정하는 실험을 진행하고 있으며 이와 같은 최적화를 통해 상용막 대비 우수한 역전기투석 발전성능을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	염분차 발전의 장점은?	최근 세계적으로 친환경 대체 에너지 개발에 대한 관심이 증가하고 있으며 이 중 해수와 담수의 염분차를 이용한 염분차 발전에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다[1-5]. 염분차 발전은 태양광이나 풍력 발전 등 다른 신재생 에너지 기술과 비교할 때 주위 환경의 영향을 덜 받고 따라서 전력 변동이 심하지 않은 장점을 가지고 있다. 대표적인 염분차 발전 기술은 멤브레인을 사용한 압력지연삼투(pressure-retarded osmosis, PRO)와 역전기투석(reverse electrodialysis, RED)이다.
	대표적인 염분차 발전 기술 두 가지는?	염분차 발전은 태양광이나 풍력 발전 등 다른 신재생 에너지 기술과 비교할 때 주위 환경의 영향을 덜 받고 따라서 전력 변동이 심하지 않은 장점을 가지고 있다. 대표적인 염분차 발전 기술은 멤브레인을 사용한 압력지연삼투(pressure-retarded osmosis, PRO)와 역전기투석(reverse electrodialysis, RED)이다. 압력지연 삼투 발전은 염분차로 인해 발생한 위치에너지를 외부 터빈을 통해서 운동에너지로 변환시켜 전기를 발생시키는 기술이다[1-6].
	압력지연 삼투 발전의 단점은?	압력지연 삼투 발전은 염분차로 인해 발생한 위치에너지를 외부 터빈을 통해서 운동에너지로 변환시켜 전기를 발생시키는 기술이다[1-6]. 따라서 터빈 및 고압 설비 등이 필요하며, 막 오염을 통한 반투과성 막의 내구성 저하 등의 단점을 가지고 있다. 반면 역전기투석은 이온교환막(ion-exchange membrane)을 사용하여 이온을 선택적으로 이동시키고 전극에서의 산화환원 반응을 통해 전기를 생산하는 시스템으로 화학적 에너지가 전기로 직접 전환되기 때문에 압력지연삼투 발전보다 더 효율적인 것으로 알려져 있다.

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저자의 다른 논문 :

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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