[보고서]차세대 초순수 제조 장치 핵심 부품 및 시스템 개발

차세대 초순수 제조 장치 핵심 부품 및 시스템 개발 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	공주대학교 산학협력단 Kongju National University
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2013-05
과제시작연도	2012
주관부처	중소기업청 Small and Medium Business Administration
등록번호	TRKO201400026678
과제고유번호	1425076689
사업명	산학연협력기술개발
DB 구축일자	2014-11-17

초록 ▼

1. 최종목표
• 초순수 제조용 고효율 복합탄소전극 제조 기술 확보
- 탄소입자의 표면개질을 통한 초순수 제조용 복합탄소전극 제조 기술 개발
- 정전용량 100 F/g 이상, 이온선택성 90% 이상의 복합탄소전극 제조
• RO-CDI 조합형 초순수 제조 시스템 시제품 제작 및 운전기술 확보
- 초순수 생산용량 200 L/h 이상의 RO-CDI 시제품 설계 및 제작
- RO-CDI 시스템을 이용한 10 MΩ·cm의 초순수 제조
2. 개발내용 및 결과
• 탄소전극의 정전용량 향상 기술 개발
- 탄소입자 표면에 표면전하를 갖는 금속산화물(SiO2, TiO2, MgAl2O4)을 코팅하여 전극의 정전용량과 전극반응을 억제할 수 있는 복합탄소전극을 제조함
- 제조된 복합탄소전극의 정전용량은 150 - 180 F/g으로 기존 전극대비 정전용량이 14% 향상
• 복합탄소전극을 이용한 초순수 제조를 위한 최적 조건 및 안정성 평가
- 제조한 전극으로 CDI 단위 셀을 제작한 후 운전조건(인가전위, 유입수 농도, 탈착전위)에 따른 초순수 제조 성능을 평가
- 셀 전위가 1.2 V 이상에서 전극반응이 진행되어 최적의 인가전위는 1.2 V 이하였고 탈착과정에서 역전위(-0.2 V)를 인가함으로써 처리수의 순도를 향상시킬 수 있었음
• 유입수의 pH 변화에 따른 RO-CDI 시스템의 초순수 제조 성능 평가
- 수돗물에 용존되어 있는 이산화탄소를 제거하기 위해 유입수의 pH를 조정하여 RO module에서 이산화탄소의 제거효율을 확인함
- 유입수의 pH를 9 정도로 조정한 결과 RO module에서 용존 이산화탄소를 97% 정도 제거할 수 있었음. 또한 pH를 조정한 유입수를 사용한 경우 RO-CDI 시스템을 통해 전기저항이 10 MΩ·cm 이상인 초순수를 제조할 수 있었음
• RO-CDI 시스템 시제품 설계/제작 및 성능 평가
- 연구실에서의 실험결과를 바탕으로 200 L/h의 초순수 생산용량을 갖는 RO-CDI 시스템 시제품을 설계하여 제작함.
- 유입수의 pH를 변화시켜 RO-CDI 시제품에서의 초순수 제조 성능을 평가한 결과 단위 셀의 평가결과와 동일한 결과를 얻을 수 있었음
- RO-CDI 시스템을 연속 운전하여 회수율에 따른 처리수의 순도변화를 평가
3. 사업성과
1) 기술적 성과
• 초순수 제조용 복합탄소전극 제조 기술 확보
- 탄소전극에서 전극반응을 제어하기 위해 금속산화물로 탄소입자의 표면을 처리함. 탄소전극의 극성에 따라 zeta 전위가 다른 금속산화물을 도입하여 탄소체의 표면을 처리함.
- SiO2와 MgAl2O4가 코팅된 탄소전극을 제조한 결과 전극의 정전용량은 각각 183, 160 F/g으로 기존 탄소전극에 비해 최대 14% 가량 정전용량이 향상되었음.
- 금속산화물이 코팅된 탄소전극으로 초순수 제조 성능을 시험한 결과 인가전위 1.2V에서도 전극반응이 억제되어 처리수의 pH 변화가 감소하여 안정적으로 초순수를 제조할 수 있었음.
• 초순수 제조를 위한 RO-CDI 시스템 공정기술 개발
- 전기저항이 10 MΩ·cm 이상인 초순수를 생산하기 위해서는 유입수에 존재하는 무기 이온들 이외에도 약염기성을 지닌 이산화탄소를 제거하는 것이 필요함. 기존 초순수 제조 공정에서는 탈기장치를 이용해 이산화탄소를 제거하고 있음.
- 본 연구에서는 수돗물에 약간의 알칼리를 투입하여 pH를 조정하는 방식으로 용존된 이산화탄소를 효과적으로 제거할 수 있었음. 수돗물의 pH를 9 정도로 조정한 후 RO-CDI 장치에 공급한 결과 10 MΩ·cm 이상의 초순수를 제조할 수 있었음.
• 초순수 제조용 RO-CDI 시스템 시제품 설계 및 제작 기술 확립
- 수돗물로부터 초순수 생산용량 200 L/h 규모의 RO-CDI 시스템 시제품을 제작함.
- 시제품을 대상으로 초순수 제조 성능을 평가한 결과 CDI 단위 셀로 실험한 결과와 동일한 성능을 얻을 수 있었음. 이를 통해 다양한 초순수 생산용량(소용량, 또는 대용량)에 대한 RO-CDI 시스템의 설계 기준을 확보할 수 있었음.
2) 경제적 성과
- CDI 기술은 기술주기 측면에서 연구개발이 완료되어 이제 상업화가 진행되는 단계임. 따라서 연구개발을 통해 RO-CDI 시스템을 적용하여 초순수를 제조할 수 있는 기술과 시스템 설계 및 제작기술을 확보할 수 있었지만 상업화를 통한 실질적인 경제적 성과는 시기상조라고 판단됨.
- 새로운 기술을 이용해 시장에 진입하기 위해서는 기술에 대한 신뢰도를 높이는 것이 필수적임.
용도에 따라 산업체에서 요구되는 초순수의 수질은 다르기 때문에 우선 1 MΩ·cm 이상의 초순수를 필요로 하는 산업용 보일러 수나 의약 산업체를 대상으로 기술을 적용시켜 나갈 계획임. 이미 상업용 시스템의 설계 및 제작 기술을 확보하고 있기 때문에 시스템의 신뢰성을 높인다면 조만간 가시적인 성과를 나타낼 수 있을 것으로 사료됨.
4. 기술개발 결과 활용계획
• 금속산화물을 코팅한 탄소전극 제조기술을 적용하여 현재 생산중인 탄소전극의 효율을 향상시키는데 적극적으로 활용하고자 함.
• 초순수 수요 산업체를 탐색하여 제작한 RO-CDI 시스템을 현장에서 적용하여 장시간 운전하면서 제품의 성능 및 안정성을 시험하여 신뢰성을 확보하고자 함.
• 확보된 제품의 신뢰성을 바탕으로 1-10 MΩ·cm 정도의 초순수가 필요한 발전소, 식품 제조업체, 의약제조업체 등을 대상으로 시스템의 상용화를 추진하고자 함.
5. 기술개발자료의 보안관리
• 연구개발의 기술임치 및 특허 출원·등록 실적
- 특정이온 선택성 축전식 탈염 복합탄소전극의 제조 방법, PCT/KR2012/008994 (2012.10.30)
- RO-CDI 시스템을 이용한 초순수 제조 공정 (특허 출원 준비 중)

표/그림 (23)

표 Fig. 1.1. Flowsheet of ultrapure water production processes

표 Comparison of make-up systems for ulatrpure water production

표 Fig. 1.2. Principle of capacitive deionization technology

표 Fig. 2.1.1. Photo of the coating apparatus of metal oxide and a flowchart showing the procedure of sol-gel coating

표 Fig. 2.1.2. Flow diagram showing the procedure of MgAl2O4-coated ACP powder using the homogeneous precipitation method

표 Fig. 2.1.3. XRD patterns of TiO2-coated ACP powders

표 Fig. 2.1.4. XRD spectrum of MgAl2O4-coated ACP powder

표 Fig. 2.1.5. TGA curve of 0.25 mmol SiO2/g-C sample

표 Fig. 2.1.6. TGA curves of SiO2-coated ACP powders with different SiO2 content

표 Fig. 2.1.7. TGA curves of TiO2-coated ACP samples with different TiO2 contents

표 Fig. 2.1.8. TGA curves of MgAl2O4-coated ACP powders with different MgAl2O4 contents

표 Metal oxide contents calculated from TGA data

표 MgAl2O4 content calculated from TGA data

표 Fig. 2.1.9. Changes of zeta-potential of metal oxide/ACP composites with changing the solution pH:(a) SiO2, (b) TiO2, (c) MgAl2O4

표 Fig. 2.1.9. Changes of zeta-potential of metal oxide/ACP composites with changing the solution pH: (a) SiO2, (b) TiO2, (c) MgAl2O4

표 Fig. 2.1.10. Cyclic voltammograms of various synthesized carbon electrodes coated by (a) SiO2, (b) TiO2, and (c) MgAl2O4

표 Fig. 2.1.11. Specific capacitance of various synthesized carbon electrodes coated by (a) SiO2, (b) TiO2, and (c) MgAl2O4

표 Summaries of specific capacitance obtained from the impedance data for synthesized carbon electrodes

표 Fig. 2.1.12. Specific capacitance derived from impedance data for synthesized carbon electrodes coated by (a) SiO2, (b) TiO2, and (c) MgAl2O4

표 Fig. 2.5.2. Experimental setup for the production of ultrapure water using RO-CDI hybrid system

표 Specification of RO-CDI system (development prototype)

표 Fig. 2.6.1. Flow sheet of RO-CDI prototype system

표 Fig. 2.6.2. Pictures of RO-CDI prototype system

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표 Comparison of make-up systems for ulatrpure water production

표 Fig. 1.2. Principle of capacitive deionization technology

표 Fig. 2.1.1. Photo of the coating apparatus of metal oxide and a flowchart showing the procedure of sol-gel coating

표 Fig. 2.1.2. Flow diagram showing the procedure of MgAl2O4-coated ACP powder using the homogeneous precipitation method

표 Fig. 2.1.3. XRD patterns of TiO2-coated ACP powders

표 Fig. 2.1.4. XRD spectrum of MgAl2O4-coated ACP powder

표 Fig. 2.1.5. TGA curve of 0.25 mmol SiO2/g-C sample

표 Fig. 2.1.6. TGA curves of SiO2-coated ACP powders with different SiO2 content

표 Fig. 2.1.7. TGA curves of TiO2-coated ACP samples with different TiO2 contents

표 Fig. 2.1.8. TGA curves of MgAl2O4-coated ACP powders with different MgAl2O4 contents

표 Metal oxide contents calculated from TGA data

표 MgAl2O4 content calculated from TGA data

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표 Fig. 2.1.9. Changes of zeta-potential of metal oxide/ACP composites with changing the solution pH: (a) SiO2, (b) TiO2, (c) MgAl2O4

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