활성탄소섬유를 이용한 탄소전극의 제조 및 축전식 탈염공정에서의 성능평가 Preparation of Carbon Electrodes Using Activated Carbon Fibers and Their Performance Characterization for Capacitive Deionization Process원문보기
In this study, the carbon electrodes using activated carbon fibers (ACFs) were prepared for the capacitive deionization process. The Polyvinylidene fluoride (PVDF) was used as the binder and the mixed ACFs with proper solvent was cast on the commercial graphite sheets to prepare the carbon electrode...
In this study, the carbon electrodes using activated carbon fibers (ACFs) were prepared for the capacitive deionization process. The Polyvinylidene fluoride (PVDF) was used as the binder and the mixed ACFs with proper solvent was cast on the commercial graphite sheets to prepare the carbon electrodes. At this moment, the different particle sizes of ACFs were applied and the mixing ratio of solvent, PVDF and ACFs, 80 : 2 : 18 and 80 : 5 : 15, were used for the electrode preparation. Then their salt removal efficiencies were characterized under the various operating conditions, adsorption potential and time, desorption potential and time, concentration of feed NaCl solution and flow rate as well. Typically, the salt removal efficiency of 53.6% were obtained at the particle size below $32{\mu}m$, mixing ratio 80 : 2 : 18, adsorption 1.2 V and 3 min, desorption -0.1V and 1 min, and 15 mL/min flow rate of NaCl 100 mg/L.
In this study, the carbon electrodes using activated carbon fibers (ACFs) were prepared for the capacitive deionization process. The Polyvinylidene fluoride (PVDF) was used as the binder and the mixed ACFs with proper solvent was cast on the commercial graphite sheets to prepare the carbon electrodes. At this moment, the different particle sizes of ACFs were applied and the mixing ratio of solvent, PVDF and ACFs, 80 : 2 : 18 and 80 : 5 : 15, were used for the electrode preparation. Then their salt removal efficiencies were characterized under the various operating conditions, adsorption potential and time, desorption potential and time, concentration of feed NaCl solution and flow rate as well. Typically, the salt removal efficiency of 53.6% were obtained at the particle size below $32{\mu}m$, mixing ratio 80 : 2 : 18, adsorption 1.2 V and 3 min, desorption -0.1V and 1 min, and 15 mL/min flow rate of NaCl 100 mg/L.
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문제 정의
본 연구에서는 활성탄소섬유를 이용하여 축전식 탈염공정에 적용할 탄소전극의 제조법을 연구하였다. 고분자 바인더를 용매에 녹인 후 활성탄소섬유를 분쇄하여 첨가하는 방법으로 슬러리를 만든 후 카본 그라파이트에 캐스팅한다.
이번에는 탈착전압과 염 제거효율간의 상관관계를 알아보고자 하였다. 흡착조건은 1.
제안 방법
1. Table 1의 활성탄소섬유의 입자크기와 소재의 배합비율을 토대로 B1, B2, C1, C2의 전극을 제조하였다. 흡착조건으로는 1 V의 흡착전압과 3분의 흡착시간, 탈착조건으로는 -0.
2 V에서는 염 제거효율이 크게 상승하지 않은 것을 확인할 수 있는데 이는 일정 전압 이상에서는 이미 전극의 흡착성능을 다 소진하여 더 높은 전압을 가 해주는 것이 큰 의미가 없다는 것으로 사료된다. 1.5 V 의 전압에서는 물의 전기분해반응이 일어나므로 흡착전 압은 1.2 V로 고정하고 탈착전압과 시간은 -0.1V, 1분, 공급액 역시 100 mg/L의 NaCl 수용액을 사용하며 흡착 시간을 1, 3, 5, 7분으로 변화를 주어 실험을 하였다.
공급액은 펌프를 통해 셀의 유입구로 들어가 전극과의 상호작용을 통해 흡착, 탈착을 하며 중앙의 배출구로 나오게 하였다[18]. Potentiostat WPG 100 (WonATech, Korea)를 이용하여 일정한 시간동안 전위를 인가하였으며, 배출구로 나오는 처리수와 배출수는 TDS conductivity meter (iSTEK, Korea)를 사용하여 2초마다 데이터를 측정해 컴퓨터에 기록하였다. 실험은 0.
용매와 고분자 바인더 그리고 활성탄소섬유를 80 : 2 : 18, 80 : 5 : 15의 배합 비율로 활성탄소섬유의 입자크기를 달리하여 용액을 제조한 후 상용화된 그라파이트 시트에 직접 캐스팅 하여 염 제거 성능을 평가하였다. 공정 조건은 흡착전압, 흡착시간, 탈착전압, 탈착시간, 공급액의 유량 그리고 공급액의 농도를 변화하여 실험하였다. 그 결과 다음과 같은 결론이 도출되었다.
그 다음 80°C의 진공오븐에서 유기용매와 수분을 제거하여 다공성 활성탄 소섬유 전극을 제조하였다.
고분자 바인더를 용매에 녹인 후 활성탄소섬유를 분쇄하여 첨가하는 방법으로 슬러리를 만든 후 카본 그라파이트에 캐스팅한다. 그 다음 상전이 과정을 거쳐 기공을 가지는 다공성 탄소전극을 제조하였다. 제조된 전극은 실제 축전식 탈염공정에 적용하여 제조 조건, 실험 조건에 따른 염 제거율을 분석하였다.
마지막으로 공급액의 NaCl의 농도를 변수로 하여 실험을 진행하였다. 흡착은 1.
바인더고분자와 활성탄소섬유의 합과 용매의 비는 2 : 8로 고정하였고 바인더고분자와 활성탄소섬유의 비율을 1 : 9, 1 : 3로 달리하였으며 활성탄소섬유의 입자크기가 32~53 µm인 것과 32 µm 이하인 것으로 구분하여 총 4가지의 전극을 제조하여 테스트하였다.
본 연구에서는 축전식 탈염공정에 적용할 탄소전극을 활성탄소섬유를 이용하여 제조한 후 공정에 적용하여 염 제거 효과를 관찰하였다. 용매와 고분자 바인더 그리고 활성탄소섬유를 80 : 2 : 18, 80 : 5 : 15의 배합 비율로 활성탄소섬유의 입자크기를 달리하여 용액을 제조한 후 상용화된 그라파이트 시트에 직접 캐스팅 하여 염 제거 성능을 평가하였다.
Potentiostat WPG 100 (WonATech, Korea)를 이용하여 일정한 시간동안 전위를 인가하였으며, 배출구로 나오는 처리수와 배출수는 TDS conductivity meter (iSTEK, Korea)를 사용하여 2초마다 데이터를 측정해 컴퓨터에 기록하였다. 실험은 0.5, 1.0, 1.2 V의 흡착전압과 1, 3, 5, 7분의 흡착 시간, -0.1, -0.3, -0.5, -1 V의 탈착전압과 1, 3, 5, 7분의 탈착시간, 15, 25, 35 mL/min의 공급액의 유량과 100, 200, 300, 500 mg/L의 공급액의 농도를 변수로 진행하였다.
앞서 실험한 결과로 1.2 V, 3분의 흡착전압과 시간, -0.1 V의 탈착전압, 공급액은 NaCl로 100 mg/L의 농도와 15 mL/min의 유량을 기준으로 탈착시간을 1, 3, 5, 7분으로 변화를 주어 실험을 진행하였다.
양 전극 사이의 격벽 역할을 하며 공급수의 흐름을 원활하게 해주기 위한 약 90 µm의 두께인 nylon spacer를 삽입하였고 공급수는 Masterflex (German)사의 L/S pump를 이용하여 일정한 유량으로 공급해주었다.
본 연구에서는 축전식 탈염공정에 적용할 탄소전극을 활성탄소섬유를 이용하여 제조한 후 공정에 적용하여 염 제거 효과를 관찰하였다. 용매와 고분자 바인더 그리고 활성탄소섬유를 80 : 2 : 18, 80 : 5 : 15의 배합 비율로 활성탄소섬유의 입자크기를 달리하여 용액을 제조한 후 상용화된 그라파이트 시트에 직접 캐스팅 하여 염 제거 성능을 평가하였다. 공정 조건은 흡착전압, 흡착시간, 탈착전압, 탈착시간, 공급액의 유량 그리고 공급액의 농도를 변화하여 실험하였다.
우선 흡착전압에 따른 염 제거 효과를 살펴보기 위하여 흡착시간은 3분으로 탈착전압과 시간은 -0.1 V, 1분으로 고정한 후 흡착전압을 0.5, 1.0, 1.2V로 변화를 주어 실험을 하였다. 공급액은 100 mg/L의 NaCl을 사용 하였으며 그 결과는 Fig.
그 다음 상전이 과정을 거쳐 기공을 가지는 다공성 탄소전극을 제조하였다. 제조된 전극은 실제 축전식 탈염공정에 적용하여 제조 조건, 실험 조건에 따른 염 제거율을 분석하였다.
훕착조건은 1.2 V, 3분으로 탈착조건은 -0.1 V, 1분으로 설정하고 공급액은 역시 NaCl 100 mg/L의 수용액을 사용하며 유량을 15, 25, 35 mL/min으로 변화를 주어 탈염실험을 진행하였다.
마지막으로 공급액의 NaCl의 농도를 변수로 하여 실험을 진행하였다. 흡착은 1.2 V, 3분, 탈착은 -0.1 V, 1분, 공급액의 유량은 15 mL/min으로 고정한 다음 공급 액의 NaCl 농도를 100, 200, 300, 500 mg/L으로 변화하여 실험을 진행하였다.
흡착조건은 1.2 V, 3분, 탈착시간은 1분으로 100 mg/L 농도의 NaCl수용액을 분당 15 mL로 공급하였으며 탈착전압을 -0.1, -0.3, -0.5, -1.0 V로 변화를 주어 실험을 진행 하였다.
대상 데이터
2V로 변화를 주어 실험을 하였다. 공급액은 100 mg/L의 NaCl을 사용 하였으며 그 결과는 Fig. 3에서 확인할 수 있다.
이는 흡착제인 활성탄소섬유의 함유량이 증가할수록 흡착할 공간이 늘어났으며 활성탄소섬 유의 크기가 작을수록 비표면적이 늘어나 염 제거효율이 상승한 것으로 사료된다. 염 제거 효율이 가장 좋은 C1 전극을 선정하여 실험을 진행하였다.
1과 같은 방식으로 실험 공정을 설치하였다. 제조한 전극을 유효면적이 100 cm2인 정육각형 모양으로 잘라 사용하였다. 양 전극 사이의 격벽 역할을 하며 공급수의 흐름을 원활하게 해주기 위한 약 90 µm의 두께인 nylon spacer를 삽입하였고 공급수는 Masterflex (German)사의 L/S pump를 이용하여 일정한 유량으로 공급해주었다.
초 순수는 Younglin Pure Water System (Seoul, Korea) 으로 직접 생산하였다. 카본 그라파이트는 Pureechem 사의 제품을 사용하였으며, 공급액은 sodium chloride (Samchun)를 Younglin instrument사의 Aquamax basic 360으로 직접 생산한 초 순수에 용해시켜 제조하였다.
탄소전극을 제조하기 위해 poly(vinylidene fluoride) (PVdF, Alfa Aesar)를 고분자 바인더로, N,N-dimethylacetamide (DMAc, JUNSEI, Mw 87.12)를 용매로 사용하였다. 활성탄소섬유(활성탄소섬유, Fitch계 BET 1200)는 GS사에서 제공받았으며 분쇄하여 사용하였다.
12)를 용매로 사용하였다. 활성탄소섬유(활성탄소섬유, Fitch계 BET 1200)는 GS사에서 제공받았으며 분쇄하여 사용하였다. 초 순수는 Younglin Pure Water System (Seoul, Korea) 으로 직접 생산하였다.
성능/효과
전위의 절댓값이 증가한다는 것은 정전기적 인력이 증가한다는 것이므로 동일한 시간에 강한 인력이 작용할수록 많은 양의 이온을 끌어당겨 흡착시킬 수 있다는 것을 의미한다. 1.0 V와 1.2 V에서는 염 제거효율이 크게 상승하지 않은 것을 확인할 수 있는데 이는 일정 전압 이상에서는 이미 전극의 흡착성능을 다 소진하여 더 높은 전압을 가 해주는 것이 큰 의미가 없다는 것으로 사료된다. 1.
2. 흡착전압을 0.5~1.2 V로 증가시켰을 때 15.6~ 53.6%의 염 제거 효율을 보였고 흡착시간을 1~7분으로 증가시켰을 때 염 제거효율은 52.86, 53.6%로 증가 하였다가 43.47%까지 감소하는 경향을 보였는데 이는 해당 탈착조건에서 3분의 흡착시간동안 흡착한 이온들은 충분한 탈착이 가능하지만 그 이상의 흡착시간에서 흡착된 이온들은 충분히 탈착시키지 못하기 때문에 전극에 잔존하는 이온들에 의해 전극의 흡착능이 떨어진 것으로 사료된다.
3. 탈착전압을 -0.1~-1.0 V로 변화시켰을 때 53.6~ 44.8%의 염 제거 효율을 보였고 탈착시간을 1~7분으로 증가시켰을 때 염 제거효율은 53.6~37.71%의 염 제거 효율을 보였다. 제조한 활성탄소섬유 전극의 최적의 흡착조건은 앞선 실험에서 1.
4. 공급액의 유량을 15~35 mL/min으로 변화를 주었을 때 염 제거 효율은 53.6~19.5%로 급격히 감소하였다. 이는 전극 위에서 공급액이 충분히 머무르지 못하여 전극과 공급액의 충분한 상호작용이 이루어지지 않았기 때문인 것으로 보인다.
이는 본 연구에서 제작한 카본전극은 – 0.1 V의 낮은 전위의 전압과 1분의 짧은 시간만으로도 충분한 탈착이 되어 원활하게 염 제거를 수행할 수 있는 것으로 판단된다.
71%의 염 제거 효율을 보였다. 제조한 활성탄소섬유 전극의 최적의 흡착조건은 앞선 실험에서 1.2 V, 3분임을 확인하였다. 해당 조건에서 흡착된 이온들은 -0.
활성탄소섬유의 입자 크기가 동일할 때, C1은 52.5%, C2는 34.7%로 활성탄소섬유의 비율이 더 높은 전극의 염 제거 효율이 좋았으며, 소재의 배합 비율이 동일할 때, C1은 52.5%, B1은 22.1%로 활성탄소섬유의 입자의 크기가 작은 전극의 염 제거 성능이 좋은 것을 확인하였다. 이는 흡착제인 활성탄소섬유의 함유량이 증가할수록 흡착할 공간이 늘어났으며 활성탄소섬 유의 크기가 작을수록 비표면적이 늘어나 염 제거효율이 상승한 것으로 사료된다.
흡착전압이 0.5, 1.0, 1.2 V로 증가함에 따라 염 제거 효율은 15.6, 52.2, 53.6%로 증가하였다. 전위의 절댓값이 증가한다는 것은 정전기적 인력이 증가한다는 것이므로 동일한 시간에 강한 인력이 작용할수록 많은 양의 이온을 끌어당겨 흡착시킬 수 있다는 것을 의미한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
파울링은 역삼투법의 이용에 어떤 문제를 일으키는가?
역삼투법은 막을 사이에 두고 해수에 삼투압 이상의 압력을 가해 막을 통하여 순수한 물만 분리해내는 방법으로 증발법에 비해 에너지 소모가 낮으며 비교적 간단한 방법이지만 장시간 운전시 막 표면이 오염되는 파울링(fouling) 현상에 의해 일정기간 운전 후 세정을 해주어야 한다. 이러한 파울링으로 인한 물리화학적 세정 때문에 막의 수명이 짧으며 높은 처리수 유량을 얻기 위해서는 에너지 소모가 크다는 단점이 있다[2-4]. 이러한 단점을 보완하기 위해막 표면의 개질에 대한 연구와 막 소재에 대한 연구가 국내외로 진행되고 있다.
태양열을 이용한 증발법이 고안된 이유는 무엇인가?
물의 재사용 혹은 담수화 기술 중 가장 널리 알려져 있고 간단하게 깨끗한 대량의 물을 생산할 수 있는 증발법은 막대한 화석에너지의 사용으로 우리가 사용할수 있는 화석연료의 낭비와 환경오염이라는 큰 문제가 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 태양열을 이용한 증발법이 고안되었는데, 이는 일조량이 좋은 지역에 한해서만 사용이 가능하며 화석연료를 사용하는 것보다는 시간당 생산량이 부족하다[1].
역삼투법은 무엇인가?
이러한 문제점을 보완하기 위해 태양열을 이용한 증발법이 고안되었는데, 이는 일조량이 좋은 지역에 한해서만 사용이 가능하며 화석연료를 사용하는 것보다는 시간당 생산량이 부족하다[1]. 역삼투법은 막을 사이에 두고 해수에 삼투압 이상의 압력을 가해 막을 통하여 순수한 물만 분리해내는 방법으로 증발법에 비해 에너지 소모가 낮으며 비교적 간단한 방법이지만 장시간 운전시 막 표면이 오염되는 파울링(fouling) 현상에 의해 일정기간 운전 후 세정을 해주어야 한다. 이러한 파울링으로 인한 물리화학적 세정 때문에 막의 수명이 짧으며 높은 처리수 유량을 얻기 위해서는 에너지 소모가 크다는 단점이 있다[2-4].
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