초록 ▼

이온교환막을 이용한 전기트석법은 반복되는 막층의 양단에서 공급되는 직류 전원에 의하여 이온성 물질을 분리하는 전기화학적 공정으로서, 비교적 운전이 간단하며 공정에 의한 폐기물을 생성하지 않는다는 장점을 지닌 청정기술이다. 그러나 전기투석의 실용화에는 농도분극(용질이 막표면 근처에 급격히 감소하는 현상)과 자연/합성 유기물, 경도 물질 등에 의한 막표면 근처에서의 젤 형성과 흡착현상에 기인한 막오염이 존재하는 운전에 있어서 장애요인으로 작용한다. 전기 투석 공정에서의 농도 분극과 막오염의 최소화를 도모하고 이온 교환의 공정효율을 유지

이온교환막을 이용한 전기트석법은 반복되는 막층의 양단에서 공급되는 직류 전원에 의하여 이온성 물질을 분리하는 전기화학적 공정으로서, 비교적 운전이 간단하며 공정에 의한 폐기물을 생성하지 않는다는 장점을 지닌 청정기술이다. 그러나 전기투석의 실용화에는 농도분극(용질이 막표면 근처에 급격히 감소하는 현상)과 자연/합성 유기물, 경도 물질 등에 의한 막표면 근처에서의 젤 형성과 흡착현상에 기인한 막오염이 존재하는 운전에 있어서 장애요인으로 작용한다. 전기 투석 공정에서의 농도 분극과 막오염의 최소화를 도모하고 이온 교환의 공정효율을 유지시키기 위한 방법으로서 펄스전원을 이용한 전원공급방식 사용 및 막오염 물질의 선택적 제거를 위한 용해성 폴리머의 주입 기술 등을 들 수 있다. 또한 농도 분극과 막 오염 현상을 보다 삼층적으로 규명하기 위하여 유입수 내의 막 오염 유발 물질인 유기물의 특성분석(분자크기, 친수성/소수성, 전하밀도)과 전기투석 공정 전후의 막분석 (MWCO, 막공크기 분포, 친수성/소수성, 표면전하, 표면 기능족, SEM/TEM 사진) 연구도 국내외적으로 수행되고 있다. 3년의 계획으로 수행된 본 연구는 크게 세개의 연구팀에 의해서 수행되었다. 첫번째 연구팀 (광주과학기술원 신소재공학과 Kurt E.Geckeler 교수)은 본 연구에서 사용되고 있는 각종 이온교환막의 특성을 분석하여 이온교환 능력이 높으면서도 막 오염의 경향이 낮은 최적막을 선택하는 연구와 함께 막오염을 주되게 유발하고 있는 막오염 물질들과 선택적으로 결합할 수 있는 용해성 폴리머를 개발하는 연구를 수행하였으며, 두번째 연구팀 (동교 환경공학과 문승현 교수)은 다양한 막오염물질에 대한 전기투석 공정 내에서의 막오염 기작연구와 그에 적합한 막오염 저감기술 개발 연구를 수행하였으며, 세번째 연구팀 (동교 환경공학과 조재원 교수)은 이온교환막과 막 오염 유발 물질과의 상호 연관성, 막 오염을 일으키는 휴믹산 및 NOM의 화학적 특성의 분석 및 오염된 이온교환막의 특성의 분석 등을 수행하였다. 본 연구의 연구 개시일로부터 완료 시점까지의 연구 진행은 다음과 같았다. 먼저, 이온교환막에 막오염 현상을 일으키는 대표적인 막오염물질을 무기이온, 유기이온에서 각각 선택하였으며, 이온교환막과 막오염물의 물리화학적 및 전기화학적 특성을 분석하기 위해 이온교환능, 전기적 저항, 접촉각, 표면전하 분석, 막 오염 물질 흡착능 실험, 막공분포측정, 막 직접 적정법, 분자 크기분포, 소수성/친수성 물질 분리기법, 전하밀도 측정, 이온교환막의 막오염물에 대한 겉보기 MWCO 등 다양한 분석방법들이 체계화되었다. 이러한 분석을 이용하여 전기투석 공정운전 전 사용될 여러 가지 음이온 및 양이온교환막을 선택하여 막오염 정도 실험을 실시하고 상대적으로 오염경향의 고저를 비교한 후, 고효율, 저막오염을 위한 최적막을 선택하였다. 그리고 각 막오염물질들이 최적막을 이용한 전기투석 공정내에서 일으키는 막오염 기작을 규명하고, 막오염 현상을 저감할 수 있는 산과 EDTA를 이용한 막오염물 제어방법, 전기적 펄스 전원 공급 장치를 이용한 펄스 전원 전기투석 공정, 막오염물의 선택적 제거를 위한 무독 용해성 폴리머 전기투석 방법 등의 막오염 저감 실험을 시행하였다. 또한 전기투석 막오염지수 (Membrane fouling index for Electrodialysis, EDMFI)를 이용하여 막오염 정도를 정량화하였다.

Abstract ▼

An electrochemical separation technology using ion-exchange membranes can be described as a process removing an ionic species from aqueous solutions using electrictiy as a driving force for mass transfer. Compared to existing separation technology for removal of ionic species, the ion-exchange membr

An electrochemical separation technology using ion-exchange membranes can be described as a process removing an ionic species from aqueous solutions using electrictiy as a driving force for mass transfer. Compared to existing separation technology for removal of ionic species, the ion-exchange membrane technology can reduce the discharge of waste water significantly. However, concentration polarization and membrane fouling due to inorganics such as hardness materials and silica sol, organics such as humate, NOM, and BSA, and other foulants on the membranes, is a common limitation in expanding the applications of ion-exchange membranes. In this study, for a better understanding of the interaction between foulants in many streams and the ion-exchange membrane surface as well as each fouling mechanism, robust characterization methods of foulants (e.g., molecular size, structure, functionality, and charge density) and ion-exchange membranes (e.g., MWCO, pore size, structure, surface charge, functionality, and SEM/TEM visual appearance) were developed. Using the characterization methods, the optimized ion-exchange membranes showing the lowest fouling potential were selected before the ED opreations with respect to foulants. Afterward, the anti-fouling technologies using acid/EDTA control, pulsed power, and water-soluble polymer additives were to be investigated in light of mitigation of the membrane fouling and enhancement of the ED performances by controlling the interaction between the foulants and the membrane surface. Moreover, membrane fouling index for ED (EDMFI) were developed and used to quantify the membrane fouling in ED operations to compare their performances.

목차 Contents

• I. 연구계획 요약문...3
• 1. 국문요약문...3
• II. 연구결과 요약문...4
• 1. 국문요약문...4
• 2. 영문요약문...5
• III. 연구내용...6
• 1. 서론...6
• 2. 연구방법 및 이론...8
• 3. 결과 및 고찰...22
• 4. 결론...69
• 5. 인용문헌...72