[논문]축전식 탈염 시스템에서 전하량 제어를 통한 경도물질의 안정적인 탈염

김윤태; 최재환

doi:10.14478/ace.2019.1042

축전식 탈염 시스템에서 전하량 제어를 통한 경도물질의 안정적인 탈염
Stable Desalination of Hardness Substances through Charge Control in a Capacitive Deionization System 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.30 no.4, 2019년, pp.472 - 478

초록
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막 축전식 탈염(MCDI) 셀에 공급하는 총 전하(TC)를 조절하여 경도물질($Ca^{2+}$)을 안정하게 탈염할 수 있는 방법을 연구하였다. 흡착과정에서 TC를 변화시키면서 흡착(1.5 V)과 탈착(0.0 V)을 30회 반복하였다. 탈염과정에서 유출수의 농도와 pH, 흡착 및 탈착량, 전류밀도와 셀 전위의 변화를 분석하였다. MCDI 셀에 사용된 탄소전극의 최대허용전하(MAC)는 46 C/g로 측정되었다. MAC 이하의 TC (40 C/g)에서 운전한 결과 전극반응이 일어나지 않아 장기간 운전에서도 안정적인 탈염특성을 얻을 수 있었다. 반면, MAC 이상의 TC (50, 60 C/g)에서 운전한 경우 유출수의 농도와 pH가 크게 변하였다. 또한 전극반응으로 인해 전극표면에 스케일이 생성되어 셀의 전기저항이 점차 증가하였다. 이를 통해 흡착과정에서 MCDI 셀에 공급하는 전하를 제어함으로써 전극반응 없이 경도물질을 안정하게 제거할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A stable desalination method of the hardness substance such as $Ca^{2+}$ by controlling the total charge (TC) supplied to the membrane capacitive deionization (MCDI) cell was studied. The adsorption (1.5 V) and desorption (0.0 V) were repeated 30 times while varying the TC in the adsorption process. The concentration and pH of effluent, adsorption and desorption amounts, current densities and cell potentials were analyzed in the desalination process. The maximum allowable charge (MAC) of the carbon electrode used in MCDI cell was measured to be 46 C/g. As a result of operation at TC (40 C/g) below the MAC value, electrode reactions did not occur, resulted in the stable desalination characteristics for a long-term operation. When operating at TCs (50, 60 C/g) above the MAC value, however, the concentration and pH of effluent varied greatly. Also, the scale was formed on the electrode surface due to electrode reactions, and the electric resistance of the cell gradually increased. It was thus concluded that it is possible to remove stably the hardness substance without any electrode reactions by controlling the charge supplied to MCDI cell during the adsorption process.

주제어

표/그림 (9)

그림 Figure 1. Schematic diagram of the membrane capacitive deionization experiment.
그림 Figure 2. Variations of CaCl₂ concentration and pH of effluent during the adsorption process. The constant current of 0.1 A was supplied until cell potential reached 1.6 V.
그림 Figure 3. Changes in the H⁺ ion generation rate and cell potential according to the cumulative charges supplied to the cell.
그림 Figure 4. Changes in effluent concentration for the 1^st, 10^th, 20^th, and 30^th cycle at (a) TC 40 C/g, (b) TC 50 C/g, and (c) TC 60 C/g.
그림 Figure 5. Variation of effluent pH at different TCs. The adsorption and desorption processes were repeated 30 times at a given TC value.
그림 Figure 6. Changes in the adsorption time according to the number of adsorption-desorption cycle at various TCs.
그림 Figure 7. Changes in the amount of adsorption and desorption of CaCl₂ according to the number of adsorption-desorption cycle at various TCs.
그림 Figure 8. Changes in the current density supplied to the cell. The total charge supplied to the cell during the adsorption process was 60 C/g at the cell potential of 1.5 V. Desorption was performed at 0.0 V for 300 s.
그림 Figure 9. Changes in the initial cell resistance according to the number of adsorption-desorption cycle at various TCs.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 전극반응 없이 경도물질을 안정적으로 제거하기 위한 새로운 CDI 시스템의 운전방식을 제시하였다. 운전변수로 셀 전위 대신 셀에 공급하는 총 전하(total charge, TC)를 조절하여 전극반응을 제어하였다.
MCDI 시스템의 운전과정에서 전극반응이 일어날 경우 경도물질이 반응 생성물과 결합하여 스케일을 생성하여 탈염성능을 크게 저하시키는 문제를 초래한다. 본 연구에서는 흡착과정에서 MCDI 셀에 공급하는 전하량을 조절함으로써 경도물질의 안정적인 제거 가능성을 검토하였다.

제안 방법

탈염실험을 진행하는동안 유출수의 전기전도도와 pH를 1 s 간격으로 측정하였다. CaCl₂용액의 농도와 전기전도도의 상관관계를 이용하여 유출수의 CaCl₂ 농도를 계산하였다.
MCDI 단위 셀을 제작하기 위하여 시편절단기를 이용하여 지름이 9.5 cm인 원형으로 탄소전극을 절단하였다. 그리고 유로를 형성하기 위해 탄소전극의 중앙에 지름 1 cm의 구멍을 뚫었다.
MCDI 셀을 통과한 유출수가 배출되는 지점에 전기전도도와 pH 센서(CON-BTA, pH-BTA, Vernier Software & Technology, USA)를 설치하였다.
MCDI 셀이 DSS에 도달한 것을 확인한 후 탄소전극에서 전극반응이 시작되는 지점을 결정하기 위해 셀 전위가 1.6 V에 도달할 때까지 동일한 전류(0.1 A)를 공급하였다. 그리고 다시 0.
Potentiostat (WPG100, WonA Tech Co., Korea)을 통해 MCDI 셀에전원을 공급하였다. 흡착 및 탈착이 진행되는 동안 셀에 공급된 전압,전류, 전하량을 potentiostat 운용 소프트웨어를 통해 2 s 간격으로 측정하였다.
그리고 센서를 인터페이스(Labquest, Vernier Software& Technology, USA)에 연결하여 컴퓨터를 통해 유출수의 전기전도도와 pH를 일정한 시간 간격으로 측정하였다.
그리고 이온교환막 사이에 180 µm 두께의 스페이서(EX31-071/80 PW, NBC MeshtecInc., Japan)를 삽입하였다.
이온교환막을 결합한 MCDI 단위 셀에 경도물질을 함유한 유입수를 공급하면서 흡착과정에서 TC를 변화시키면서 탈염실험을 수행하였다. 동일한 운전 조건에서 흡착-탈착 과정을 30회 반복하여 연속 운전과정에서의 탈염성능 변화를 분석하였다. 탈염과정에서 유출수의 농도, pH, 셀 전위, 전류 등을 측정하여 TC에 따른 전극반응의 여부와 탈염성능을 분석하였다.
유입수는 탄소전극의 가장자리에서 유입되어 스페이서를 지나 중앙의 구멍을 통해 유출되도록 유로를 형성하였다. 모든 탈염실험은 유입수(1,000 mg/L CaCl₂)를 30 mL/min의 유량으로 공급하면서 single-pass 모드에서 진행하였다.
이를 고려하여 먼저 전극반응이 일어나지 않는 셀 전위에서 흡착-탈착 과정을 3회 반복하여 DSS에 도달하도록 하였다. 셀 전위가 1.0 V에 도달할때까지 일정한 전류(0.1 A)를 공급하면서 흡착실험을 진행한 후 곧바로 셀 전위를 0.0 V로 변화시켜 400 s 동안 탈착을 진행하였다.
이를 바탕으로 흡착과정에서 셀에 공급한 TC를 40, 50, 60 C/g으로 변화시키면서 탈염실험을 진행하였다. 셀 전위를 1.5 V로 일정하게 유지하면서 potentiostat을 통해 미리 설정한 TC에 도달할 때까지 전류를 공급하면서 흡착실험을 실시하였다. 흡착이 완료된 후 곧바로 셀 전위를 0.
셀에 공급된 TC를 MAC (46 C/g) 이하로 조절할 경우 셀 전위에 관계없이 전극반응이 일어나지 않을 것으로 예상하였다. 셀 전위를 1.5 V로 일정하게 유지하면서 셀에 미리 설정한 TC (40, 50, 60 C/g)가 공급될때까지 흡착을 진행하고 곧바로 0.0 V의 셀 전위에서 탈착을 실시하였다. 각각의 TC에서 흡착-탈착 사이클을 30회 반복하였다.
탈염실험을 진행하면서 유출수의 전기전도도와 pH를 2 s 간격으로 측정하였다. 실험결과의 재현성을 확인하기 위해탄소전극을 교체하여 MCDI 셀을 새로 제작하고 동일한 조건에서 같은 실험을 3회 반복하였다.
65 g이었다. 양극 탄소전극표면에 음이온교환막(AMX, Astom Co., Japan)을,음극 탄소전극에 양이온교환막(CMX)을 결합하였다. 그리고 이온교환막 사이에 180 µm 두께의 스페이서(EX31-071/80 PW, NBC MeshtecInc.
본 연구에서는 전극반응 없이 경도물질을 안정적으로 제거하기 위한 새로운 CDI 시스템의 운전방식을 제시하였다. 운전변수로 셀 전위 대신 셀에 공급하는 총 전하(total charge, TC)를 조절하여 전극반응을 제어하였다. 이온교환막을 결합한 MCDI 단위 셀에 경도물질을 함유한 유입수를 공급하면서 흡착과정에서 TC를 변화시키면서 탈염실험을 수행하였다.
이온의 생성속도를 Figure 3에 도시하였다. 유출수의 pH로부터 H⁺이온 농도를 계산하고 유량을 곱하여 H⁺ 이온의 생성속도를 계산하였다. Figure 3에서 x축을 흡착시간 대신 탄소전극에 공급된 누적전하량으로 나타내었다.
또한 탄소전극에서 전극반응이 일어날 경우 탈염특성에 영향을 미칠 수 있다. 이를 고려하여 먼저 전극반응이 일어나지 않는 셀 전위에서 흡착-탈착 과정을 3회 반복하여 DSS에 도달하도록 하였다. 셀 전위가 1.
앞에서 진행한 MAC 측정 실험에서 탄소전극에 약 46 C/g의 전하가 공급되었을 때 전극반응이 시작되는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 흡착과정에서 셀에 공급한 TC를 40, 50, 60 C/g으로 변화시키면서 탈염실험을 진행하였다. 셀 전위를 1.
)이 만들어질 경우 셀의 전기저항이 증가할 수 있다. 이를 확인하기 흡착-탈착 사이클에 따라 셀에 공급된 전류의 변화를 분석하였다. Figure 8은TC 60 C/g에서 MCDI 셀을 운전했을 때 1, 10, 20, 30번째 사이클에서 셀에 공급된 전류밀도의 변화를 나타낸 것이다.
운전변수로 셀 전위 대신 셀에 공급하는 총 전하(total charge, TC)를 조절하여 전극반응을 제어하였다. 이온교환막을 결합한 MCDI 단위 셀에 경도물질을 함유한 유입수를 공급하면서 흡착과정에서 TC를 변화시키면서 탈염실험을 수행하였다. 동일한 운전 조건에서 흡착-탈착 과정을 30회 반복하여 연속 운전과정에서의 탈염성능 변화를 분석하였다.
, USA)을 9 : 1의 중량비로 혼합하였다. 전극슬러리의 점도를 조절하기 위해 적당량의 증류수를 첨가한 후 유성원심혼합기(AR-100, Thinky Co., Japan)에서 30 min 동안 교반하여 균일한 전극슬러리를 제조하였다. Doctor blade를 이용하여 집전체인 graphite foil(F02511, Dongbang Carbon Co.
, Korea)을 이용하여 MCDI 단위 셀에 사용할 탄소전극을 제조하였다. 탄소분말과 SBR 에멀젼(EQ-LibSBR, MTI Co., USA)을 9 : 1의 중량비로 혼합하였다. 전극슬러리의 점도를 조절하기 위해 적당량의 증류수를 첨가한 후 유성원심혼합기(AR-100, Thinky Co.
탄소전극에서 전극반응이 일어나는 시점을 결정하기 위해 MCDI 셀에 일정한 전류를 공급하면서 흡착실험을 실시하였다. MCDI 셀에서 흡착특성을 정확히 분석하기 위해서는 흡착-탈착 과정이 동적평형상태(dynamic steady state, DSS)에 도달해야 한다.
탄소전극에서 전극반응이 일어나는 시점을 측정하기 위해 MCDI 셀에 일정한 전류를 공급하면서 흡착실험을 진행하였다. Figure 2는 셀전위가 1.
동일한 운전 조건에서 흡착-탈착 과정을 30회 반복하여 연속 운전과정에서의 탈염성능 변화를 분석하였다. 탈염과정에서 유출수의 농도, pH, 셀 전위, 전류 등을 측정하여 TC에 따른 전극반응의 여부와 탈염성능을 분석하였다.
흡착-탈착 과정이 반복되는 동안 탈염성능의 변화를 관찰하기 위해 흡착-탈착 사이클을 30회 반복하였다. 탈염실험을 진행하는동안 유출수의 전기전도도와 pH를 1 s 간격으로 측정하였다. CaCl₂용액의 농도와 전기전도도의 상관관계를 이용하여 유출수의 CaCl₂ 농도를 계산하였다.
0 V에서 400 s 동안탈착을 실시하였다. 탈염실험을 진행하면서 유출수의 전기전도도와 pH를 2 s 간격으로 측정하였다. 실험결과의 재현성을 확인하기 위해탄소전극을 교체하여 MCDI 셀을 새로 제작하고 동일한 조건에서 같은 실험을 3회 반복하였다.
, Korea)을 통해 MCDI 셀에전원을 공급하였다. 흡착 및 탈착이 진행되는 동안 셀에 공급된 전압,전류, 전하량을 potentiostat 운용 소프트웨어를 통해 2 s 간격으로 측정하였다. MCDI 셀을 통과한 유출수가 배출되는 지점에 전기전도도와 pH 센서(CON-BTA, pH-BTA, Vernier Software & Technology, USA)를 설치하였다.
흡착-탈착 사이클을 반복하는 동안 MCDI 셀의 전기저항의 변화를 좀 더 자세히 분석하기 위해 흡착이 시작될 때 전류와 셀 전위로부터 전기저항을 계산하였다. Figure 9는 각각의 TC에서 흡착-탈착 사이클에 따른 셀의 전기저항 변화를 도시한 것이다.
흡착과정에서 MCDI 셀에 공급되는 전하량을 조절함으로써 전극반응 없이 경도물질을 안정적으로 탈염할 수 있는지를 검증하였다. 셀에 공급된 TC를 MAC (46 C/g) 이하로 조절할 경우 셀 전위에 관계없이 전극반응이 일어나지 않을 것으로 예상하였다.
흡착과정에서 셀에 공급되는 TC를 변화시키면서 MCDI를 운전하여 TC에 따른 탈염특성을 분석하였다. 앞에서 진행한 MAC 측정 실험에서 탄소전극에 약 46 C/g의 전하가 공급되었을 때 전극반응이 시작되는 것을 확인하였다.

대상 데이터

활성탄소분말(CEP-21K, PCT Co., Korea)을 이용하여 MCDI 단위 셀에 사용할 탄소전극을 제조하였다. 탄소분말과 SBR 에멀젼(EQ-LibSBR, MTI Co.

성능/효과

MAC보다 낮은 TC에서 운전했을때 흡착-탈착 과정을 반복해도 탈염 성능은 안정한 상태를 유지하였다. 그러나 MAC 이상의 TC를 공급한 경우 전극반응이 일어나 유출수의 농도와 pH가 크게 변하는 것을 관찰하였다. 또한 전극반응 결과 탄소전극표면에 Ca(OH)₂ 스케일이 생성되어 셀의 전기저항이 증가하였다.
높은 셀전위에서 MCDI를 운전할 경우 셀에 공급되는 전류가 증가하여 흡착시간을 줄일 수 있다. 따라서 MCDI 셀에 공급되는 총 전하량을 MAC이하로 조절할 경우 전극반응을 억제하면서 탈염속도도 증가시킬 수있을 것으로 사료된다.
이들 셀 전위는 탄소와 물이 산화반응을 일으키는 전위와 유사하다[18]. 따라서 셀에 46 C/g 이상의 전하가 공급되었을 때 탄소의 산화반응이 시작되고 85 C/g 이상의 전하가 공급될 경우 물의 산화반응이 일어나는 것으로 판단된다.
그러나 MAC 이상의 TC를 공급한 경우 전극반응이 일어나 유출수의 농도와 pH가 크게 변하는 것을 관찰하였다. 또한 전극반응 결과 탄소전극표면에 Ca(OH)₂ 스케일이 생성되어 셀의 전기저항이 증가하였다.
하지만 MAC 이상의 TC (50, 60 C/g)에서 운전한 경우에는 전극반응으로 유출수의 농도와 pH가 큰 변화를 보였다. 또한 전극반응 생성물과 경도물질이 전극표면에 스케일을 생성하여 셀의 전기저항이 증가하였다.
MCDI 셀에 사용된 탄소전극의 MAC는 46 C/g으로 측정되었다. 또한 흡착과정에서 셀에 공급된 TC를 40, 50, 60 C/g로 변화시키면서 탈염한 결과 TC에 따라 탈염성능이 큰 차이를 나타냈다. MAC보다낮은 TC (40 C/g)에서 운전한 경우 셀 전위(1.
셀 전위 1.5 V에서 MCDI 셀을 운전한 결과 전극반응은 셀에 공급된 TC에 의해 결정된다는 것을 알 수 있었다. 전극전위는 전극에 축적된 전하에 비례한다.
그 결과 탈착과정에서 Ca²⁺이온이 모두 탈착하지 못해 탈착량이 감소한 것으로 판단된다. 실제로 탈염실험 후 셀을 분리하여 음극 탄소전극의 SEM 사진을 분석한 결과 TC 60 C/g에서 운전한 경우 전극표면에 스케일이 생성된 것을 관찰할 수 있었다. 흡착량과 탈착량의 결과를 통해서도 MAC 이상의 TC에서 MCDI 셀을 운전할 때 전극반응이 일어났음을 확인할 수 있었다.
흡착과정에서 셀에 공급되는 TC를 변화시키면서 MCDI를 운전하여 TC에 따른 탈염특성을 분석하였다. 앞에서 진행한 MAC 측정 실험에서 탄소전극에 약 46 C/g의 전하가 공급되었을 때 전극반응이 시작되는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 흡착과정에서 셀에 공급한 TC를 40, 50, 60 C/g으로 변화시키면서 탈염실험을 진행하였다.
흡착과정에서 셀에 공급된 전하가 많을수록 전극반응의 양이 증가하여 pH가 더 크게 감소하는 것을 알 수 있다. 유출수의 pH변화를 통해 MCDI 셀에서의 전극반응은 셀 전위가 아니라 전극에 공급된 총 전하량에 지배를 받는다는 것을 확인할 수 있었다.
이상의 실험결과를 통해서 MCDI 시스템에 공급되는 전하량을 조절함으로써 전극반응 없이 경도물질을 안정적으로 제거할 수 있음을 확인할 수 있었다. 높은 셀 전위(1.
실제로 탈염실험 후 셀을 분리하여 음극 탄소전극의 SEM 사진을 분석한 결과 TC 60 C/g에서 운전한 경우 전극표면에 스케일이 생성된 것을 관찰할 수 있었다. 흡착량과 탈착량의 결과를 통해서도 MAC 이상의 TC에서 MCDI 셀을 운전할 때 전극반응이 일어났음을 확인할 수 있었다.

후속연구

셀에 공급된 전하는 전극전위를 결정하기 때문에 흡착과정에서 TC를 제어한다면 전극반응을 억제할 수 있다. 따라서 흡착과정에서 셀에 공급되는 TC는 전극반응 없이 MCDI를 안전하게 운전할 수 있는 운전 인자로 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
5 V)에서 MCDI를 운전했지만 MAC이내의 전하를 공급한 경우(TC 40 C/g) 전극반응은 일어나지 않았다.따라서 흡착과정에서 셀에 공급되는 TC는 전극반응 없이 MCDI를 안전하게 운전할 수 있는 운전 인자로 유용하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CDI의 장점은 무엇인가?	CDI는 탄소전극에 전하를 인가하여 전극표면의 전기이중층에서 이온을 흡착시켜 제거하는 탈염기술이다. CDI는 역삼투(RO), 증류기반 탈염, 전기투석(ED) 등 기존의 탈염기술들에 비해 에너지 소모량이 적고, 처리수의 회수율을 높일 수 있는 장점이 있다. 또한 전위를 제어하여 흡착 및 탈착을 조절하기 때문에 운전이 간편하고, 탈염과정에서 오염물질이 발생하지 않는 환경친화적인 기술로 알려져 있다[4-9].
	CDI 시스템의 운전과정에서 전극반응이 일어날 경우 발생하는 문제점은 무엇인가?	탄소전극에서 일어나는 주요 반응은 탄소와 물의 산화반응과 용존산소의 환원반응이다. 특히 탄소의 산화반응은 전극의 구조적 특성을 변화시켜 전극의 수명을 단축시키고 탈염성능을 저하시키는 결과를 초래한다. 또한 전극반응 생성물로 인해 처리수가 오염되거나 pH가 변하는 문제를 일으키기도 한다[18,19].
	CDI란 무엇인가?	CDI는 탄소전극에 전하를 인가하여 전극표면의 전기이중층에서 이온을 흡착시켜 제거하는 탈염기술이다. CDI는 역삼투(RO), 증류기반 탈염, 전기투석(ED) 등 기존의 탈염기술들에 비해 에너지 소모량이 적고, 처리수의 회수율을 높일 수 있는 장점이 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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