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불소화 탄소나노튜브를 적용한 저에너지 소모형 축전식 탈염전극의 제조 및 특성
Preparation and Characteristics of Fluorinated Carbon Nanotube Applied Capacitive Desalination Electrode with Low Energy Consumption 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.27 no.4, 2016년, pp.386 - 390  

유현우 (시온텍) ,  강지현 (시온텍) ,  박남수 (시온텍) ,  김태일 (시온텍) ,  김민일 (충남대학교) ,  이영석 (충남대학교)

초록
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축전식 탈염전극의 에너지 효율을 향상시키기 위하여 탄소나노튜브를 불소화 표면처리하고 이를 도전재로 적용하였다. 탄소나노튜브는 상온에서 불소와 질소의 혼합가스로 불소화 처리되었으며, 미처리 탄소나노튜브와 불소화 탄소나노튜브를 각각 활성탄소 대비 0~0.5 wt% 첨가하여 활성탄소 기반 축전식 탈염전극을 제조하였다. 불소화 탄소나노튜브는 미처리 탄소나노튜브에 비하여 전극 슬러리 및 전극 내에서 분산성이 향상된 것을 제타 전위와 전자주사현미경을 통해 확인하였다. 불소화 탄소나노튜브를 첨가한 전극은 미처리 탄소나노튜브를 첨가한 전극보다 전체적으로 높은 탈염효율을 보였으며, 에너지 소비량 역시 감소하였다. 이는 불소화 표면처리로 인한 탄소나노튜브의 분산성 향상으로 인해 축전식 탈염 전극의 저항이 감소되었기 때문이다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The surface of carbon nanotubes (CNTs) was modified by fluorination and applied to conductive materials to improve the energy efficiency of a capacitive desalination (CDI) electrode. CNTs were fluorinated at room temperature with a mixed gas of fluorine and nitrogen, and activated carbon based CDI e...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이에 본 연구에서는 불소화 반응을 통하여 CNT를 표면처리하고, 이를 CDI 전극의 도전재로 적용하여, 도전재 첨가량에 따라 CDI 전극을 제조하고 그 성능 및 특성에 대하여 알아보았다. 또한, CNT의 불소화 유무와 CNT 첨가 함량이 CDI 전극의 탈염 특성과 에너지효율에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다.
  • 본 연구에서는 CNT를 불소화 표면처리하고 이를 축전식 탈염전극의 도전재로 사용하였고, CNT 첨가량과 CNT의 불소화 유무에 따른 전극의 축전식 탈염특성을 고찰하였다. 불소화 표면처리는 활성탄소 전극 내부에서 CNT의 분산성을 향상시킬 수 있다는 것을 제타 전위 분석을 통하여 확인하였다.
  • 이에 본 연구에서는 불소화 반응을 통하여 CNT를 표면처리하고, 이를 CDI 전극의 도전재로 적용하여, 도전재 첨가량에 따라 CDI 전극을 제조하고 그 성능 및 특성에 대하여 알아보았다. 또한, CNT의 불소화 유무와 CNT 첨가 함량이 CDI 전극의 탈염 특성과 에너지효율에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다.
  • 그러므로 많은 연구자들이 CDI 시스템에서의 에너지 효율 향상에 중점을 두고 연구하고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 전기전도도와 비표면적이 높은 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)를 도전재로 사용하여 기존 CDI 공정의 에너지 효율을 높이고, 그 특성을 고찰하고자 한다. 그러나 일반적으로 CNT는 나노미터 단위의 작은 입자의 번들 형태로 이루어진 CNT는 분산 문제 때문에 그 응용이 용이하지 않다[18].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
현재 상용화된 탈염 기술은 어떤 단점이 있는가? 현재 상용화된 탈염 기술로는 이온교환법, 증발법, 역삼투압법, 전기투석법 등이 있다. 하지만 이러한 기술들은 에너지 소비, 멤브레인 파울링, 2차 오염 물질 발생 등의 많은 단점을 가지고 있다[1,2]. 이러한 단점을 해결하고자 저에너지 소모형 탈염기술인 축전식 탈이온(capacitive deionization, CDI) 공정에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다[4-7].
CDI 기술은 어떤 기술인가? CDI 기술은 전기 이중층을 형성하는 캐퍼시터(capacitor)의 원리를 이용한 기술로서 넓은 비표면적을 가진 전극에 전위를 인가하여 물속의 음이온과 양이온이 각각 양극과 음극 표면에 전기 이중층 (electrical double layer, EDL)을 형성하면서 흡착하는 기술이다. 더 이상의 이온을 흡착할 수 없는 포화상태가 되었을 때, 반대로 전극에 전위차를 제거하거나 역전위를 주어 흡착되어있던 이온들이 탈착되면서 농축되어 배출된다.
일반적으로 CNT의 응용이 용이하지 않는 이유는? 이에 본 연구에서는 전기전도도와 비표면적이 높은 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)를 도전재로 사용하여 기존 CDI 공정의 에너지 효율을 높이고, 그 특성을 고찰하고자 한다. 그러나 일반적으로 CNT는 나노미터 단위의 작은 입자의 번들 형태로 이루어진 CNT는 분산 문제 때문에 그 응용이 용이하지 않다[18]. 이렇게 분산이 원활히 이루어지지 않고 응집되어 있는 CNT는 전기전도도 감소의 큰 원인이 되기 때문에 탄소전극의 탈염효율을 감소시킬 수 있다[19].
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참고문헌 (27)

  1. Y. Liu, T. Lu, Z. Sun, D. H. C. Chua, and L. Pan, Ultra-thin carbon nanofiber networks derived from bacterial cellulose for capacitive deionization, J. Mater. Chem. A, 3, 8693-8700 (2015). 

  2. D. J. Lee, M. S. Kang, S. H. Lee, and J. S. Park, Application of capacitive deionization for desalination of mining water, J. Korean Electrochem. Soc., 17, 37-43 (2014). 

  3. Y. Oren, Capacitive deionization (CDI) for desalination and water treatment past, present and future (a review), Desalination, 228, 10-29 (2008). 

  4. P. F. Cai, C. J. Su, W. T. Chang, F. C. Chang, C. Y. Peng, I. W. Sun, Y. L. Wei, C. J. Jou, and H. P. Wang, Capacitive deionization of seawater effected by nano Ag and Ag@C on graphene, Mar. Pollut. Bull., 85, 733-737 (2014). 

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  7. T. Y. Kim, Analysis of influential factors on deionization capacity and rate in capacitive deionization, PhD Dissertation, Seoul National University, Seoul, Korea (2014). 

  8. J. S. Kim and J. H. Choi, Fabrication and characterization of a carbon electrode coated with cation-exchange polymer for the membrane capacitive deionization applications, J. Membr. Sci., 355, 85-90 (2010). 

  9. H. Li and L. Zou, Ion-exchange membrane capacitive deionization: A new strategy for brackish water desalination, Desalination, 275, 62-66 (2011). 

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  18. P. Potschke, A. R. Bhattacharyya, and A. Janke, Melt mixing of polycarbonate with multiwalled carbon nanotubes: microscopic studies on the state of dispersion, Eur. Polym. J., 40, 137-148 (2004). 

  19. D. S. Hecht, A. M. Heintz, R. Lee, L. Hu, B. Moore, C. Cucksey, and S. Risser, High conductivity transparent carbon nanotube films deposited from superacid, Nanotechnology, 22, 075201 (2011). 

  20. G. W. Lee and J. T. Han, Dispersion of Carbon Nanotubes (CNTs) and CNT-based Transparent Conductive Films, Korean Ind. Chem. News, 10, 8-19 (2007). 

  21. J. S. Im, I. J. Park, S. J. In, T. Kim, and Y. S. Lee, Fluorination effects of MWCNT additives for EMI shielding efficiency by developed conductive network in epoxy complex, J. Fluor. Chem., 130, 1111-1116 (2009). 

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  23. E. J. Park, L. H. Bac, J. S. Kim, Y. S. Kwon, J. C. Kim, H. S. Choi, and Y. H. Chung, Production and Properties of Ag Metallic Nanoparticle Fluid by Electrical Explosion of Wire in Liquid, J. Korean Powder Metall. Inst., 16, 217-222 (2009). 

  24. H. J. Ha, Y. C. Kong, K. H. Do, and S. P. Jang, Experimental Investigation on Thermal Characteristics of Heat Pipes Using Water-based MWCNT Nanofluids, Korean J. Air Cond. Refrig. Eng., 23, 528-534 (2011). 

  25. Z. Peng, D. Zhang, L. Shi, and T. Yan, High performance ordered mesoporous carbon/carbon nanotube composite electrodes for capacitive deionization, J. Mater. Chem., 22, 6603-6612 (2012). 

  26. K. Dermentzis and K. Ouzounis, Continuous capacitive deionization-electrodialysis reversal through electrostatic shielding for desalination and deionization of water, Electrochim. Acta, 53, 7123-7130 (2008). 

  27. R. Zhao, P. M. Biesheuvel, and A. van der Wal, Energy consumption and constant current operation in membrane capacitive deionization, Energy Environ. Sci., 5, 9520-9527 (2012). 

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