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문제 정의
- MCDI 공정에서 이온교환고분자의 이온교환용량에 따른 염 제거 효율을 비교하고자 한다. PSSA_MA의 함량이 10, 50, 90 wt%로 이온교환용량 값이 각각 다른 용액을 이용한 MCDI와 CDI에서의 염 제거 효율을 비교 진행하였다.
- 논문에서는 막 결합형 축전식 탈염공정에서 이온교환막의 이온교환용량이 염 제거 효율에 미치는 영향을 알아보고자 했다. 친수성 고분자인 PVA에 가교제 SSA를 첨가하고 PSSA_MA 함량을 달리하여 제조하였으며, 제조된 이온교환고분자 용액의 성능평가를 위해 IEC와 함수율 측정을 진행하였다.
- 이온교환막에 있어서 이온교환 용량은 막의 성능에 있어서 중요한 요소 중 하나인데 이온교환용량에 대하여 MCDI 기술에 미치는 영향에 대한 연구는 아직 보고된 바가 없다. 따라서 본 연구에 서는 이온교환용량에 따른 염 제거 효율을 측정함으로써 이온교환용량이 막 결합형 축전식 탈염공정에 미치는 영향을 관찰하고자 한다.
- 이번엔 흡착전압을 증가시켜 향상된 염 제거 효율을 관찰하고자 한다. 물 분해는 전압이 1.
가설 설정
- 2. SEM images of surfaces and cross-section: (a) carbon electrode; (b) PSSA_MA 10% coated on the carbon electrode; (c) PSSA_MA 50% coated on the electrode; (d) PSSA_MA 90% coated on the carbon electrode.
제안 방법
- 이온교환용량을 달리한 PVA/SSA/PSSA_MA 이온교환고분자 용액을 제조하여 탄소전극 한 쪽에만 코팅하였으며 흡착시간과 흡착전압을 변수로 하여 염 제거 효율을 비교해보았다. 1, 1.4 V의 흡착전압과 1, 3, 5분의 흡착시간의 조건에서 비교 실험을 진행하였고, 공급액의 농도는 NaCl 100 mg/L, 유속 15 mL/min으로 고정 하여 실험을 진행하였다.
- MCDI 공정에서 이온교환고분자의 이온교환용량에 따른 염 제거 효율을 비교하고자 한다. PSSA_MA의 함량이 10, 50, 90 wt%로 이온교환용량 값이 각각 다른 용액을 이용한 MCDI와 CDI에서의 염 제거 효율을 비교 진행하였다. 실험 조건으로는 공급액 NaCl 100 mg/L의 농도로 하였으며 유속은 15 mL/min으로 일정 하게 공급해주었다.
- 는 공급액의 초기농도를 나타낸다. 공급액의 농도는 NaCl을사용하여 100 mg/L로 진행하였으며 흡착시간과 흡착전압을 달리하여 각각의 조건에 따른 염 제거 효율을 비교하였다.
- 4 V의 조건에서 실험을 진행하였다. 공급액의 조건은 동일하게 NaCl 100mg/L, 유속 15 mL/min으로 고정하였고 흡착전압을 1.4 V로 증가시켜 흡착시간 3분과 5분에서의 염 제거 효율을 비교해보았다. 흡착시간 3분에서의 염 제거 효율은 CDI와 PSSA_MA 10, 50, 90 wt%순으로 각각 52.
- 분석 장치는 FE-S-480 (Hitachi, Japan)을 사용하였으며 분석을 위해 코팅 전, 후의 전극 시료를 액체질소에 담가 적당한 크기로 잘랐다. 그리고 진공오븐에서 수분을 완전히 제거하고 시료의 표면에 전도성을 주고 표면을 보호하기 위해 백금으로 코팅하여 전극의 표면과 단면을 관찰하였다.
- 다공성 탄소전극의 코팅 유무를 파악하고자 SEM 분석을 실시하였으며, 전극의 표면과 단면의 결과를 Fig. 2 에 나타내었다. (a)는 코팅하지 않은 다공성 탄소전극의 표면과 단면을 나타내었다.
- 다공성 탄소전극의 코팅 유무를 확인하기 위해 SEM 사진을 통해 관찰하였다. 분석 장치는 FE-S-480 (Hitachi, Japan)을 사용하였으며 분석을 위해 코팅 전, 후의 전극 시료를 액체질소에 담가 적당한 크기로 잘랐다.
- 이번엔 흡착전압을 증가시켜 향상된 염 제거 효율을 관찰하고자 한다. 물 분해는 전압이 1.5 V 이상에서 발생되며 물 분해 시 부산물로 인한 MCDI 공정의 성능이 저하된다고 보고되고 있어 1.4 V의 조건에서 실험을 진행하였다. 공급액의 조건은 동일하게 NaCl 100mg/L, 유속 15 mL/min으로 고정하였고 흡착전압을 1.
- 다공성 탄소전극의 코팅 유무를 확인하기 위해 SEM 사진을 통해 관찰하였다. 분석 장치는 FE-S-480 (Hitachi, Japan)을 사용하였으며 분석을 위해 코팅 전, 후의 전극 시료를 액체질소에 담가 적당한 크기로 잘랐다. 그리고 진공오븐에서 수분을 완전히 제거하고 시료의 표면에 전도성을 주고 표면을 보호하기 위해 백금으로 코팅하여 전극의 표면과 단면을 관찰하였다.
- 실험에 사용된 전극은 제조된 용액을 탄소전극에 casting knife로 직접 코팅하여 진공오븐 60°C에서 2시간 건조하고 120°C에서 1시간 동안 열 가교를 진행하였으며, PVA 고분자 질량대비 PSSA_MA의 함량을 각각 달리하여 전극을 제조하였다.
- 1 (a), (b)에 나타내었다. 연동펌프를 통하여 2개의 유입구에 일정한 유량으로 공급액을 공급 해주며 Potentionstat (WonATech Co. WPG 100)을 이용하여 전극에 전위를 인가해주었다. 가운데 배출구로 나온 배출수는 conductivity (istek, EC-470L)에서 2초 간격으로 TDS 값을 도출해내는 형태로 구성되어있다.
- 막의 이온교환용량은 작용기의 함유량을 나타낸다. 이온교환용량 값은 동일하게 제조된 조건하에서 이온 교환막 5개의 샘플을 통해 이온교환용량 값을 조사하였다. 이온교환용량에 따른 막 결합형 축전식 탈염공정에서의 염 제거 효율을 비교해보기 위한 실험으로써 양이온교환기의 포함정도를 측정하였으며 측정한 결과를 Fig.
- 이온교환용량 값은 동일하게 제조된 조건하에서 이온 교환막 5개의 샘플을 통해 이온교환용량 값을 조사하였다. 이온교환용량에 따른 막 결합형 축전식 탈염공정에서의 염 제거 효율을 비교해보기 위한 실험으로써 양이온교환기의 포함정도를 측정하였으며 측정한 결과를 Fig. 4에 나타내었다. PSSA_MA의 함량을 PVA 고분자 대비 10, 50, 90 wt%로 달리하였고 각각의 이온교환용량은 2, 2.
- 이온교환용량을 달리한 PVA/SSA/PSSA_MA 이온교환고분자 용액을 제조하여 탄소전극 한 쪽에만 코팅하였으며 흡착시간과 흡착전압을 변수로 하여 염 제거 효율을 비교해보았다. 1, 1.
- 이온교환용량이 증가하면 술폰산기의 자유 부피의 증가로 인해 중합체 사슬 간의 간격이 넓어져 함수율이 증가하게 되고[22] 과도한 함수율은 막의 기계적 강도를 감소시킬 수 있으나 실험 조건인 PSSA_MA 함량 90 wt%까지 증가하여 제조된 막의 기계적 강도에는 크게 문제가 없음을 보여 MCDI에 적용하여 실험을 진행하였다.
- 제조한 양이온교환고분자의 함수율 측정을 위해 일정한 크기의 막을 준비하여 상온의 증류수에 하루 이상 충분히 침적시켰다. 침적시킨 막을 꺼내어 막 표면의 수분을 제거하고 밀폐용기에 넣어 수분을 머금은 막의 무게를 칭량하였다.
- 제조한 이온교환고분자의 함수율을 Fig. 3에 나타내었으며 각각의 조건에서 5개의 샘플로 진행하여 함수율을 측정하였다. PVA 고분자 함량 대비 PSSA_MA 함량이 10 wt%일 때의 함수율은 13%, 50 wt%일 때 25%, 90 wt%일 때는 47%의 함수율을 보였다.
- 식힌 PVA 용액에 가교제인 SSA를 PVA 고분자 대비 11 wt%로 첨가하여 하루 이상 충분히 교반시킨다. 제조해 놓은 PSSA_MA 10 wt% 용액을 PVA/SSA 용액에 PVA 고분자 함량에 대하여 10, 50, 90 wt%로 첨가 후 하루 이상 충분히 교반시켜 PSSA_MA 함량이 다른 용액을 준비하였다.
- 논문에서는 막 결합형 축전식 탈염공정에서 이온교환막의 이온교환용량이 염 제거 효율에 미치는 영향을 알아보고자 했다. 친수성 고분자인 PVA에 가교제 SSA를 첨가하고 PSSA_MA 함량을 달리하여 제조하였으며, 제조된 이온교환고분자 용액의 성능평가를 위해 IEC와 함수율 측정을 진행하였다.
- 실험 조건으로는 공급액 NaCl 100 mg/L의 농도로 하였으며 유속은 15 mL/min으로 일정 하게 공급해주었다. 흡착전압은 1 V, 탈착조건은 -0.1 V, 3분으로 고정하였으며 흡착시간을 1, 3, 5분으로 달리하여 실험을 수행하였다. Fig.
대상 데이터
- 이 외에 sodium nitrate (NaCl)는 삼천(한국)의 제품을 사용하였으며, 다공성 탄소 전극은 퓨리켐(한국)의 제품을 사용하였다. 공급액 제조에 필요한 sodium nitrate (NaCl)는 삼천(한국)의 제품을 사용하였으며, 영린 초순수 제조 장치(한국)로 생산된 초순수를 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 양이온교환고분자의 제조에 있어 poly(vinyl alcohol)(PVA, Mw. 89,000~98,000) 수용성 고분자와 가교제 역할을 하는 sulfosuccinic acid (SSA, Mw. 20,000, 70% mass in water)를 사용하였고 poly(4-styrene sulfonic acid-co-maleic acid) (PSSA_MA, Mw. 198.15)을 사용하여 이온교환능력을 부여해주었다. 시약들은 Aldrich Chemicals에서 구입하였다.
- 15)을 사용하여 이온교환능력을 부여해주었다. 시약들은 Aldrich Chemicals에서 구입하였다. 이 외에 sodium nitrate (NaCl)는 삼천(한국)의 제품을 사용하였으며, 다공성 탄소 전극은 퓨리켐(한국)의 제품을 사용하였다.
- 시약들은 Aldrich Chemicals에서 구입하였다. 이 외에 sodium nitrate (NaCl)는 삼천(한국)의 제품을 사용하였으며, 다공성 탄소 전극은 퓨리켐(한국)의 제품을 사용하였다. 공급액 제조에 필요한 sodium nitrate (NaCl)는 삼천(한국)의 제품을 사용하였으며, 영린 초순수 제조 장치(한국)로 생산된 초순수를 사용하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 중요한 변수인 양이온교환고분자의 이온교환용량 측정을 위해 산염기의 적정반응을 이용하는 Fisher의 역적정법을 이용하였다. 일정한 크기의 막으로 자르고 무게를 측정한 후 0.
성능/효과
- 그리고 PSSA_MA의 함량이 증가됨에 따라 염 제거 효율이 증가됨을 볼 수 있었는데, 이는 이온교환용량 값이 높아지면서 이온교환기의 증가로 흡착 사이클에 더 많은 이온들을 전극에 붙잡을 수 있게 되어 염 제거 효율이 증가된 것으로 사료된다.
- 1 V, 3분으로 고정하였으며 흡착시간을 1, 3, 5분으로 달리하여 실험을 수행하였다. Fig. 5에 나타낸 배출수 농도 그래프는 흡착시간 1분에서의 그래프이며 흡착시간이 1분인 조건에서 CDI와 PSSA_MA의 함량 10, 50, 90 wt% 조건에서의 염 제거 효율은 27.5, 40, 46, 51%로 PSSA_MA의 함량이 증가될수록 염 제거 효율이 증가 하는 경향을 나타내었다. 다음으로 Fig.
- 흡착시간이 증가할수록 공급액 내의 이온들을 오래 흡착하여 염 제거 효율이 증가되고, 이온교환용량 값이 높아질수록 이온교환 기의 증가로 많은 이온들을 붙잡을 수 있어 흡착 시 배출수의 농도가 낮아져 염 제거 효율이 증가된 것으로 사료된다. PSSA_MA 함량 90 wt%, 흡착시간 5분에서 54.5%의 염 제거 효율을 나타내었다.
- PSSA_MA를 PVA 고분자 대비 10, 50, 90 wt%로 증가될수록 이온교환용량 값이 2, 2.4, 2.8 meq/g으로 증가되었고 함수율 또한 13, 25, 47%로 증가되었다. 이를 통해 PSSA_MA의 함량이 증가될수록 친수성기인 술폰산기 및 카르복실기의 증가로 이온교환용량과 함수율이 증가된 것으로 사료된다.
- 8 meq/g으로 측정되었다. PSSA_MA의 함량이 증가할수록 이온교환용량이 증가하였으며 함수율에서도 언급하였듯이 PSSA_MA의 양이 증가됨에 따라 친수성기인 술폰산기 및 카르복실기의 증가로 인하여 이온교환용량 또한 증가된 것으로 사료된다. 이온교환용량이 증가하면 술폰산기의 자유 부피의 증가로 인해 중합체 사슬 간의 간격이 넓어져 함수율이 증가하게 되고[22] 과도한 함수율은 막의 기계적 강도를 감소시킬 수 있으나 실험 조건인 PSSA_MA 함량 90 wt%까지 증가하여 제조된 막의 기계적 강도에는 크게 문제가 없음을 보여 MCDI에 적용하여 실험을 진행하였다.
- 3에 나타내었으며 각각의 조건에서 5개의 샘플로 진행하여 함수율을 측정하였다. PVA 고분자 함량 대비 PSSA_MA 함량이 10 wt%일 때의 함수율은 13%, 50 wt%일 때 25%, 90 wt%일 때는 47%의 함수율을 보였다. PSSA_MA의 함량이 증가할수록 PSSA_MA에서의 술폰산기 및 카르복실기 친수성기의 증가로 함수율이 증가한다.
- 흡착전압 1 V의조건보다 약 10%의 염 제거 효율의 향상을 보였다. 다음 흡착시간 5분에 대한 배출수 농도 그래프는 Fig. 10에 나타내었고 각각의 염 제거 효율은 58, 60, 63.5, 65.5%의 결과를 보였으며 흡착전압 1 V의 조건보다 약 13%의 향상된 염 제거 효율을 관찰할 수 있었다. 각각의 조건의 염 제거 효율을 Fig.
- 5 V 이상의 전압에서는 물 분해된다고 보고되어 있으며, 물 분해되기 전까지의 전압의 범위에서는 흡착전압이 증가됨에 따라 전극에 인가되는 전압의 크기가 증가되어 보다 많은 양의 이온들이 전극에 흡착되기 때문에 염 제거 효율이 증가한다. 막 결합형 축전식 탈염공정에서 이온교환용량이 염 제거 효율에 미치는 영향을 관찰할 수 있었으며 막의 기계적 물성에 영향을 끼치지 않는 범위에서 이온교환용량 값이 높을수록 더 높은 염제거 효율을 나타낸다.
- 실험 결과 PSSA_MA의 함량이 증가할수록 염 제거 효율이 증가하는 경향을 보였다. 흡착시간이 증가할수록 공급액 내의 이온들을 오래 흡착하여 염 제거 효율이 증가되고, 이온교환용량 값이 높아질수록 이온교환 기의 증가로 많은 이온들을 붙잡을 수 있어 흡착 시 배출수의 농도가 낮아져 염 제거 효율이 증가된 것으로 사료된다.
- 8에 정리하였다. 실험의 결과로 흡착시간이 증가됨에 따라 보다 긴 시간 동안 전극에 이온들을 붙잡고 있어 염 제거 효율이 증가되었다. 그리고 PSSA_MA의 함량이 증가됨에 따라 염 제거 효율이 증가됨을 볼 수 있었는데, 이는 이온교환용량 값이 높아지면서 이온교환기의 증가로 흡착 사이클에 더 많은 이온들을 전극에 붙잡을 수 있게 되어 염 제거 효율이 증가된 것으로 사료된다.
- 8 meq/g으로 증가되었고 함수율 또한 13, 25, 47%로 증가되었다. 이를 통해 PSSA_MA의 함량이 증가될수록 친수성기인 술폰산기 및 카르복실기의 증가로 이온교환용량과 함수율이 증가된 것으로 사료된다. 과도한 함수율은 막의 기계적 강도를 감소시킬 수 있으나 실험 조건 PSSA_MA 90 wt%까지 증가시켜 제조한 결과 막의 기계적 물성에는 크게 영향을 끼치지 않았다.
- 이온교환고분자 용액으로 코팅된 탄소전극의 표면은 모두 매끄러운 모습을 나타내었으며 단면은 6.4, 4.71, 5.08 µm의 두께로 이온교환 고분자 용액이 얇게 코팅된 모습을 관찰할 수 있었다.
- PSSA_MA 의 함량이 높을수록 함수율이 증가하여 과도한 팽윤 현상으로 인해 이온교환막의 기계적 강도를 감소시킬 수 있다[21]. 진행된 실험 조건 PSSA_MA의 함량을 90 wt%까지 증가시켜 제조한 막의 상태가 쉽게 찢어지거나 부풀어 오르는 현상이 발견되지 않았으며, PSSA_MA 함량을 90 wt%까지 증가시켜도 막의 기계적 강도에 크게 영향을 끼치지 않는 것을 확인할 수 있었다.
- 실험 결과 PSSA_MA의 함량이 증가할수록 염 제거 효율이 증가하는 경향을 보였다. 흡착시간이 증가할수록 공급액 내의 이온들을 오래 흡착하여 염 제거 효율이 증가되고, 이온교환용량 값이 높아질수록 이온교환 기의 증가로 많은 이온들을 붙잡을 수 있어 흡착 시 배출수의 농도가 낮아져 염 제거 효율이 증가된 것으로 사료된다. PSSA_MA 함량 90 wt%, 흡착시간 5분에서 54.
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