[논문]역전기투석용 이온교환막의 연구동향 및 전망

황진표; 이창현; 정연태

doi:10.14579/membrane_journal.2017.27.2.109

역전기투석용 이온교환막의 연구동향 및 전망
Research Trends and Prospects of Reverse Electrodialysis Membranes 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.27 no.2, 2017년, pp.109 - 120

황진표 (단국대학교 융합기술대학 에너지공학과) , 이창현 (단국대학교 융합기술대학 에너지공학과) , 정연태 (한전전력연구원 창의미래연구소)

초록
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양이온($Na^+$) 및 음이온($Cl^-$)이 각각의 CEM과 AEM을 통해 선택적으로 분리되어 담수로 이동할 때 발생되는 전위차와 산화/환원(redox couple)형 전해질을 포함하고 있는 전극에서 발생하는 전류를 이용하여 전기 에너지로 전환시키는 에너지변환장치이다. RED 시스템의 핵심소재 중 하나인 이온교환막은 높은 출력 밀도를 달성하기 위해 1) 낮은 팽윤거동, 2) 적절한 이온교환능, 3) 높은 이온전도도, 4) 높은 이온선택성을 만족시켜야 한다. 본 논문에서는 이를 만족시키는 소재 및 이온교환막의 연구동향 및 전망에 대해 설명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The reverse electrodialysis (RED) is an energy generation system to convert chemical potential of saline water directly into electric energy via the combination of current derived from a redox couple electrolyte and ionic potential obtained when cation ($Na^+$) and anion ($Cl^-$) pass through cation exchange membrane (CEM) and anion exchange membrane (AEM) into fresh water, respectively. Ion exchange membrane, a key element of RED system, should satisfy requirements such as 1) low swelling behavior, 2) a certain level of ion exchange capacity, 3) high ion conductivity, and 4) high perm-selectivity to achieve high power density. In this paper, research trends and prospects of ionomer materials and ion exchange membranes are dealt with.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 총설에서는 RED 성능에 직접적인 영향을 미치는 이온교환막에 대한 전기 화학적 및 물리적 요구조건에 대해 알아보고, 현재 사용되어오고 있는 상용 CEM 및 AEM의 특징 및 RED성능 간의 상관관계에 대해 다루고자 한다. 또한, RED용 이온교환막의 기술동향 및 개발 전망을 기술할 것이다.

가설 설정

만일, 순수막에 비해 제조된 강화복합막의 성능이 유사하다고 가정한다면, 동일한 성능을 유지하면서 가격을 저감시킬 수 있게 된다.

제안 방법

대부분은 이오노머의 화학구조를 변형시키거나, 이온교환막 구조설계에 중심을 두고 있다. 본 장에서는 상용 이온교환막의 구조 및 특징과 이를 기반으로 한 RED성능을 다룰 것이며, 후반부에서는 RED막의 연구개발방향과 전망을 기술할 것이다.

성능/효과

그중 Mg²⁺와SO₄^2- 이온과 같이 다가 이온은 염분보다 낮은 농도로 존재하는데 이 이온에 대한 잠재적인 악영향에 대한 연구결과가 보고되었다. 그 결과 2 mM의 이온 농도로 스택 전압을 감소시키고 스택의 저항을 증가시키는 형상을 보여주었다. 그리고 molar ratio로 10%의 MgSO₄와 90%의 NaCl 혼합물을 공급용액으로 사용하여 출력 밀도 측정 결과 각각의 이온교환막 쌍에 따라 29~50% 정도 효율 감소를 확인하였다[42].
Table 1은 현재 시판되고 있는 이온교환막의 기본 특성 비교정보를 보여준다[2,46]. 상용화된 막들의 permselectivity는 AEM이 86-97% 수준으로, 대부분 95% 이상인 CEM보다 낮음을 알 수 있다. 이온교환막의 두께는 AEM이 33-200 µm이고, CEM이 40-200 µm를 가져비교적 유사한 범위를 갖는다.
이온교환막의 이온 선택성과 내부 저항의 관계는 고정된 이온 그룹 및 이온교환막의 팽윤현상으로 상호작용을 일으켜 시스템의 에너지 출력 밀도에 영향을 미친다. 종합적으로 RED 시스템의 주된 목표는 전기를 생산하는 것이며 적용되는 이온교환막의 바람직한 특성은 높은 비율의 이온선택성을 바탕으로 한 높은 이온전도성을 지녀야 하며 낮은 팽윤도를 가져 시스템 효율 저하에 영향을 미치는 막 내부 저항의 감소가 요구된다.

후속연구

또한 현 수준의 에너지 출력 밀도를 넘어 최소 2 W/m²가 되어야 신재생에너지 시장에서 태양광, 풍력 등에 대한 시장경쟁성이 확보가 된다[66]. 그에 따라 이온교환막에 강한 의존성을 보이는 RED 시스템에서 막은 2장의 특성을 만족시키면서 가격 저감에 대한 연구개발 역시 활발히 이루어져야 할 것이다.
따라서 본 총설에서는 RED 성능에 직접적인 영향을 미치는 이온교환막에 대한 전기 화학적 및 물리적 요구조건에 대해 알아보고, 현재 사용되어오고 있는 상용 CEM 및 AEM의 특징 및 RED성능 간의 상관관계에 대해 다루고자 한다. 또한, RED용 이온교환막의 기술동향 및 개발 전망을 기술할 것이다.
또한 화학적 개질반응으로 음이온교환막 역시 높은 전도성을 지니는 과불소계 고분자를 기반으로 제작이 가능하게 되었다. 앞으로는 연속적인 공정을 통해 공정 비용의 절감으로 한층 더 가격의 하락을 통한 고이온전도성 과불소계 고분자 전해질막의 연구개발에 대한 기대가 모아질 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	염분차발전의 정의는?	이러한 원인으로 인해 자연에서 얻어지는 청정에너지를 이용한 재생 가능하고 지속 가능한 에너지 전환 기술에 대한 중요성이 널리 인식되고 있다. 이 중 염분차발전은 해수와 담수의 화학적 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시켜, 시간 및 기상조건 등에 제한이 없이 전력생산을 지속적으로 가능케 할 수 있는 기술로 정의된다[1-4]. 염분차발전의 이론적인 에너지발생량은 2.
	PRO방식이 전기에너지를 생산하는 원리는?	대표적인 염분차발전 기술은 핵심소재로서 분리막을 사용하는 압력지연삼투(pressure retarded osmosis, PRO)와 역전기투석(reverse electrodialysis, RED)방식이 있다. PRO방식은 해수와 담수 사이에 위치한 높은 수 투과성 분리막을 통해, 해수의 농도를 낮추기 위해 담수의 확산 이동이 발생하게 되고, 그 결과 발생되는 삼투압에 따른 물의 낙차를 이용하여 터빈을 구동시켜, 운동에너지를 거쳐 전기 에너지를 생산한다. 하지만 고압설비와 터빈 등이 필요하고, 막 오염에 따른 내구성 저하 등의 단점이 발생한다[8,9].
	빠른 이온교환을 위해 RED 이온교환막에 요구되는 조건은?	그러나 RED 시스템에서 이온교환막은 상온에서 구동되는 조건이고 특별한 산 또는 염기 반응을 하지 않으며, 유량에 따른 수압도 비교적 높지 않아서 열적 안정성, 화학적 안정성, 기계적 내구성은 RED 이온교환막의 요구조건으로 크게 부각되지는 않는다. RED는 빠른 이온교환을 통해 발전하는 시스템이므로 1) 높은 이온전도도, 2) 이온교환막의 낮은 내부저항, 3) 우수한 수치안정성, 4) 높은 이온선택성을 요구한다.

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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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