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大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.41 no.5 = no.380, 2017년, pp.347 - 352
권길성 (한국원자력연구원) , 김덕한 (서강대학교 기계공학과) , 김대중 (서강대학교 기계공학과)
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Reverse electrodialysis (RED), which generates electrical energy from the difference in concentration of two solutions, has been actively studied owing to its high potential and the increased interest in renewable energy resulting from the Paris Agreement on climate change. For RED commercialization...
| 핵심어 | 질문 | 논문에서 추출한 답변 |
|---|---|---|
| 역전기투석 장치의 출력 밀도를 증가시키는 방법과 연구현황 세가지를 설명하시오 | 일반적으로, 역전기투석 장치의 출력 밀도를 증가시키는 방법은 세 가지로 분류할 수 있다. 첫 번째 방안은 이온교환막의 이온선택성을 증가시키고, 막 저항은 감소시키는 것이다. Veerman 등에서는 상용화 이온교환막을 이용하여 역전기투석 장치의 성능을 비교하였고, Fumasep (FAD, FDK)과 Selemion(AMV, CMV)에서 가장 높은 출력 밀도를 얻었다.(11) Guler 등에서는 역전기투석 장치를 위한 신규 이온교환막을 개발하였고, 기존 상용화된 이온교환막 대비 0.1 W/m2 내외의 상승된 결과를 얻었다.(9) 한국에너지기술연구원에서는 얇은 다공성 구조체에 전해질을 침습 시킨 후 자외선을 조사하여 제작하는 세공 충진형 이온교환막(pore-filling IEM)을 역전기투석 장치 용도로 개발하였고, 기존 대비 상당히 높은 수준의 출력 밀도 개선 효과를 얻었다.(12) 두 번째 방안은 역전기투석에 공급되는 용액의 농도 차이를 증가시키는 것이다. Kwon 등에서는 고농도 용액으로 바닷물을 사용하는 대신에 담수화 플랜트에서 버려지는 농축화 된 브라인을 사용할 때 역전기투석 장치의 출력 밀도 변화를 실험적으로 평가하였고, 차세대 담수화 플랜트로 고려되는 정삼투 방식에서 배출되는 브라인 사용 시 출력 밀도가 해수 대비 2배 상승하는 결과를 얻었다.(8) Tedesco 등에서는 포화 상태의 염화나트륨 수용액을 고농도 용액으로 사용하여 역전기투석 장치의 출력 밀도를 측정하였고, 상당한 출력 상승 효과가 발견되었다.(13,14) 이 연구는 현재 REAPower 프로젝트를 통해 계속적으로 발전 하고 있다. 세 번째 방안은 고농도와 저농도 용액이 흐르는 내부 유로에서 음영 지역을 최소화하면서 이온교환막과 용액의 경계면에 형성되는 확산 경계층(diffusion boundary)을 억제하는 구조를 형성하는 것이다. Długołęcki 등에서는 내부 유로에 일반적으로 사용되는 고분자 소재의 직조망(woven-type mesh)을 이온교환소재로 대체하는 방안을 제안하였고, 음영 효과의 감소로 인한 출력 밀도 상승을 보였다.(15) Vermaas 등에서는 일정한 형상을 가진 주형을 이용하여 이온교환막에 직접 압력을 가해 유로를 인쇄하는 방안을 제안하였고, 음영 지역의 제거로 인해 출력 밀도가 상당히 개선됨을 보고하였다.(6) | |
| 역전기투석은 어떤 기술인가? | 역전기투석(reverse electrodialysis, RED) 장치는 농도 차이를 가지는 두 용액의 자발적인 확산을 양이온 또는 음이온을 선택적으로 투과하는 이온교환막(ion exchange membrane, IEM)을 이용하여 이온의 이동방향을 분리 한 후, 전극에서 산화환원반응을 통해 전기에너지를 생성하는 기술이다. 파리기후협약 이행을 위한 신재생에너지기술의 관심증가와 전 세계적으로 강하구에서 생성할 수 있는 농도차에너지(salinity gradient energy, SGP)량이 상당히 높은 것으로 추산됨에 따라 역전기투석 장치에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. | |
| 출력 밀도의 용도는? | 역전기투석 장치에서 생성되는 출력을 이온교환막의 활성 면적으로 나누어 계산된 출력 밀도(power density)는 역전기투석 장치의 성능을 비교하기 위한 정량적 지표로 사용된다. 현재 역전기투석 장치의 상용화를 위해서는 출력 밀도를 최대화하는 것이 매우 중요하며, 따라서 많은 연구자들이 역전기투석 장치의 출력 밀도 증가를 위한 다양한 방법들을 제안하고 있다. |
Berrouche, Y. and Pillay, P., 2012, "Determination of Salinity Gradient Power Potential in Quebec, Canada," J. Renewable Sustainable Energy, Vol. 4, No. 5, pp.
Tedesco, M., Scalici, C., Vaccari, D., Cipollina, A., Tamburini, A. and Micale, G., 2016, "Performance of the First Reverse Electrodialysis Pilot Plant for Power Production from Saline Waters and Concentrated Brines," J. Memb. Sci., Vol. 500, pp. 33-45.
Tedesco, Cipollina, A., Tamburini, A. and Micale, G., 2017, "Towards 1kW Power Production in a Reverse Electrodialysis Pilot Plant with Saline Waters and Concentrated Brines," J. Memb. Sci., Vol. 522, pp. 226-236.
Zhu, X., He, W. and Logan, B. E., 2015, "Reducing Pumping Energy by using Different Flow Rates of High and Low Concentration Solutions in Reverse Electrodialysis Cells," J. Memb. Sci., Vol. 486, pp. 215-221.
Vermaas, D. A., Saakes, M. and Nijmeijer, K., 2011, "Power Generation using Profiled Membranes in Reverse Electrodialysis," J. Memb. Sci., Vol. 385-386, pp. 234-242.
Vermaas, D. A, Saakes, M. and Nijmeijer, K., 2011, "Doubled Power Density from Salinity Gradients at Reduced Intermembrane Distance," Environ. Sci. Technol., Vol. 45, No. 16, pp. 7089-7095.
Kwon, K., Han, J., Park, B. H., Shin, Y. and Kim D., 2015, "Brine Recovery using Reverse Electrodialysis in Membrane-based Desalination Processes," Desalination, Vol. 362, pp. 1-10.
Guler, E., Elizen, R., Vermaas, D. A., Saakes, M. and Nijmeijer, K., 2013, "Performance-determining Membrane Properties in Reverse Electrodialysis," J. Memb. Sci., Vol. 446, pp. 266-276.
Kim, D. H., Park, B. H., Kwon, K., Li, L. and Kim, D., 2017, "Modeling of Power Generation with Thermolytic Reverse Electrodialysis for Low-grade Waste Heat Recovery," Appl. Energy, Vol. 189, pp. 201-210.
Veerman, J., de Jong, R. M., Saakes, M., Metz, S. J. and Harmsen, G. J., 2009, "Reverse Electrodialysis: Comparison of Six Commercial Membrane Pairs on the Thermodynamic Efficiency and Power Density," J. Memb. Sci., Vol. 343, No. 1-2, pp. 7-15.
Kim, H. K., Lee, M. S., Lee, S. Y., Choi, Y. W., Jeong, N. J. and Kim, C. S., 2015, "High Power Density of Reverse Electrodialysis with Pore-filling ion Exchange Membranes and a High-open-area Spacer," J. Mater: Chem. A., Vol. 3, pp. 16302-16306.
Tedesco, M., Tamburini, C. A., Micale, G., Helsen, J. and Papapetrou, M., 2015, "REAPower: use of Desalination Brine for Power Production Through Reverse Electrodialysis," Desalination Water Treat., Vol. 53, No. 12, pp. 3161-3169.
Tedesco, M., Cipollina, A., Tamburini, A., van Baak, W. and Micale, G., 2012, "Modelling the Reverse Electrodialysis Process with Seawater and Concentrated Brines," Desalination Water Treat., Vol. 49, No. 1-3, pp. 404-424.
Dlugolecki, P., Dabrowska, J., Nijmeijer, K. and Wessling, M., 2010, "Ion Conductive Spacers for Increased Power Generation in Reverse Electrodialysis," J. Memb. Sci., Vol. 347, No. 1-2, pp. 101-107.
Vermaas, D. A., Saakes, M. and Nijmeijer, K., 2014, "Enhanced Mixing in the Diffusive Boundary Layer for Energy Generation in Reverse Electrodialyis," J. Memb. Sci., Vol. 453, pp. 312-319.
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