초록 ▼

1. 연구개요
1.1 배경
산업 혁명 이후 급속한 경제발전으로 인해, 생활의 편리성 및 물질의 풍요는 확보할 수 있었지만 무분별한 개발과 환경에 대한 인식 미비 등으로 인하여 여러 가지 환경 문제에 봉착하였다. 그 중에서도 지구 온난화와 도시화에 따른 인구집중 현상으로 발생된 물 부족 문제, 화석연료 사용에 따른 이산화탄소의 배출과 그로 인한 지구 온난화, 화석연료의 고갈 문제는 인류의 지속적인 발전과 생존을 위해 피해갈 수 없는 핵심 문제로 여겨진다.
기후변화, 환경 개선, 에너지 및 수자원 확보를 위해서는 자연

1. 연구개요
1.1 배경
산업 혁명 이후 급속한 경제발전으로 인해, 생활의 편리성 및 물질의 풍요는 확보할 수 있었지만 무분별한 개발과 환경에 대한 인식 미비 등으로 인하여 여러 가지 환경 문제에 봉착하였다. 그 중에서도 지구 온난화와 도시화에 따른 인구집중 현상으로 발생된 물 부족 문제, 화석연료 사용에 따른 이산화탄소의 배출과 그로 인한 지구 온난화, 화석연료의 고갈 문제는 인류의 지속적인 발전과 생존을 위해 피해갈 수 없는 핵심 문제로 여겨진다.
기후변화, 환경 개선, 에너지 및 수자원 확보를 위해서는 자연 상에 혼재되어 있는 물질들 중에서 원하는 물질을 분리하는 것이 필수 연구 주제임. 특히, 물 부족 문제 해결을 위해, 오염된 물을 정수하거나, 해수 속 염을 분리하여 인간 생활에 이용할 수 있는 담수로 만드는 것이 중요하다.

1.2 연구목적
효율적인 수처리 기술을 위한 차세대 소재 및 시스템 개발

1.3 초점
1.3.1. 그래핀 분리막 상용화를 위한 기초 연구: 그래핀 분리막의 수용액 내에서의 안정성 향상에 관한 연구 및 복합구조체 제작
1.3.2. 산화 그래핀 막 사이를 이동하는 물의 흐름에 대한 원자 수준 시뮬레이션 연구
1.3.3. 고성능 fCDI 소재 및 그래핀 멤브레인-fCDI 하이브리드 담수화 시스템 개발
1.3.4. CDI 적용을 위한 그래핀에어로젤 기반의 전극 개발
1.3.5. 다공성 멤브레인에서 작용하는 액체의 특성 연구

2. 연구 방법 및 결과
2.1 그래핀 분리막 상용화를 위한 기초 연구: 그래핀 분리막의 수용액 내에서의 안정성 향상에 관한 연구 및 복합구조체 제작
화학적 접근 방법을 이용하여 초박막 그래핀 분리막과 지지체의 결합력을 증가 시켜 초박막 그래핀 분리막의 상용화에 관한 기초 연구를 수행하였다. 또한 산화그래핀과 복합구조체를 이룰 수 있는 새로운 이차원 물질을 이용하여 차세대 수처리 분리막으로 사용할 수 있는 후보 물질을 연구하였다.
지지체와 아마이드 결합을 형성한 산화 그래핀 분리막은 강한 충격(Ultrasonication)에도 불구하고 수용액 내에서 우수한 안정성을 보인다. 또한 안정성뿐만 아니라, 수처리 성능에 있어 기존 산화그래핀 분리막과 투과율 (~4 L·m-2h-1bar-1) 및 염료에 대한 여과율(~99%)이 같은 수준의 우수한 성능을 보였다. 1nm 수준 이하의 층간 거리를 가지는 산화 그래핀 / MXene 복합 구조체 분리막을 제작하였다.
산화 그래핀 / MXene 복합 구조체 분리막 성능 분석 결과, 1 nm 수준의 염료들에 대한 100%에 가까운 여과율을 보이며 용매에 따른 투과 특성이 달라 용매 분리 분야에도 응용할 수 있을 것으로 예상한다. 그래핀 분리막에 최적화된 지지체 개발 시, 더욱 향상된 특성을 가질 것이다.
그래핀 분리막은 기반 연구가 이제 태생된 시점이라, 이론과 기초 수준의 논문을 제외하고는 응용과 관련된 특허와 논문이 거의 전무한 상황이다. 따라서 연구가 성공리에 마무리 된다면 양질의 논문과 특허를 작성할 수 있을 뿐만 아니라, 현재 적용하고 있는 고분자 분리막의 문제점인 고압력과 바이오-파울링등의 문제점을 극복할 수 있어 미래형 분리막 기술로서 각광받고 있다.
저비용과 대면적으로 제조된 다공성 그래핀를 이용한 분리막 제조 기술 개발에 성공한다면 다양한 그래핀 포어 크기 제어를 통해 UF에서 RO 멤브레인에 이르기까지 모든 분리막 시장에 적용이 가능할 것으로 예상된다. 특히, 많은 에너지를 필요로 하는 현재의 역삼 투압법에 기반한 담수화 플랜트를 대체함으로써, 에너지 사용량을 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

2.2 산화 그래핀 막 사이를 이동하는 물의 흐름에 대한 원자 수준 시뮬레이션 연구.
본 연구에서는 이차원 물질 사이에 갇힌 물 분자의 구조와 움직임을 분석하기 위해 분자 동역학 시뮬레이션을 사용하였다. 이를 명확하게 분석하기 위한 새로운 저수지 모형의 시뮬레이션 모델을 만들었고 물의 플럭스를 비교하였다.
산화 그래핀 막 사이를 이동하는 물의 특징들을 시뮬레이션 하는 데에 성공했고, 몇가지 특성을 알아내었다. 일반 그래핀 사이를 이동하는 물에 비해 산화 그래핀에서 물이 이동하는 경우 기능기에 의한 입체 효과와 수소 결합의 효과를 받아 물의 흐름이 저해되는 것을 확인했다.
산화 그래핀에서 물 분자와 기능기 사이에는 반데르발스와 쿨롬 전하 포텐셜에 영향이 존재하여 물의 흐름 저하가 나타난다.

2.3 고성능 fCDI 소재 및 그래핀 멤브레인-fCDI 하이브리드 담수화 시스템 개발
최근 들어, Capacitive deionization (CDI)는 낮은 작동전위 (<2 V)와 높은 물 회수율(>90%)로 인해 가장 우수한 담수화 기술 중 하나로 각광 받고 있다. 그러나, 기존 CDI 가 이온제거용량, 전하효율 등의 측면에서 불충분한 담수화 성능을 보인다는 점은 여전히 중요한 해결과제로 남아있다. 본 연구진은 상기 문제를 해결하기 위해, CDI 의 전극 재료로 새로운 유형의 양극 소재를 채택, 비대칭 시스템인 하이브리드 CDI(HCDI)를 도입했다. HCDI 와 관련한 모든 담수화 성능 측정은 대칭적인 활성탄 전극으로 이루어진 CDI 를 대조군 (control group)으로 설정하여 시행되었다. (모든 측정결과는 본문에 언급되어 있다.) 본 연구진은 이번 연구를 통해 HCDI 의 기존 CDI 대비 우수성을 다양한 측면에서 입증하는 것을 목표로 하였다.
우리가 파악하기로는, 다양한 양이온이 함유된 기수에서 CDI 시스템이 거동되는 연구는 여태껏 보고된 바가 없다. 하지만, HCDI 의 PBA 전극은 기수 내 모든 양이온에 대해 비교적 균등한 포획 능력을 보이기에, 해당 기수에서도 충분히 정상 작동할 것이라고 판단된다. 또한, IEM 없이 IEM 효과를 내는 것은 많은 관점에서 장점이 있다.
따라서, 본 HCDI 가 차세대 상용화 가능 담수화 시스템으로서 충분한 경쟁력을 갖추었다고 생각된다.

2.4 CDI 적용을 위한 그래핀에어로젤 기반의 전극 개발 및 다공성 멤브레인에서 작용하는 액체의 특성 연구
본 연구팀은 수열합성법을 통해 원하는 방향으로 기공이 정렬된 그래핀 에어로젤 합성을 할 수 있었고, 이를 그래핀에어로젤 기반의 축전탈이온화의 전극으로 적용하였다.
또한 에어로젤의 기공을 조절함으로써 그래핀 에어로젤의 비등방적인 전기전도성과 비등방적인 기계적 반응을 보이는 것을 거시적인 관점에서 관찰하였을 뿐 아니라 기공의 정렬 방향에 따라 축전탈이온화의 성능이 좌우되는 것을 확인하였다.
다공성 분리막의 실질적인 응용을 위해서, 화학증착합성법(CVD)으로 그래핀이 코팅된 금속메쉬를 합성하였다. 다공성분리막의 투과성과 선택성과 관련된 인자를 확인함. 또한 이를 위해 다공성분리막에서 거동하는 액체의 특성을 연구했다.
두 개의 길항 작용인 소수성 반발력 과 액체 투과성을 이용한 전기 활성 유체 제어기술을 개발했다.

(출처 : 국문 요약문)

Abstract ▼

1. Research Introduction
1.1 Background
Rapid growth of industries after industrial revolution, has brought conveniences in human life. However, chemical pollutants and gases emitted from industries have induced lots of environmental problems including the contamination of water, air and clima

1. Research Introduction
1.1 Background
Rapid growth of industries after industrial revolution, has brought conveniences in human life. However, chemical pollutants and gases emitted from industries have induced lots of environmental problems including the contamination of water, air and climate changes, threating the sustainable human life. Additionally, increasing industrial demands for the rare natural resources, water and petroleum are another issues bring conflicts in various nations.
The separation and concentration of target materials are one of the critical processes in order to secure a supply of resources, essential to maintain human life. Especially, contaminated or salted water is needed to be purified to guarantee the supply of clean water for mankind to drink in the regions where suffered from the depletion of water.

1.2 Objective
Develop next generation of sustainable water treatment materials and systems.

1.3 Scope
1.3.1. Basic research for commercialization of graphene membrane: Enhanced stability of graphene oxide membranes via interstitial amide bonding and composite structure.
1.3.2. Atomistic simulation study of water flow between graphene oxide membranes
1.3.3. Development of electrode materials for high-performance fCDI and Graphene NF membrane-fCDI hybrid desalination system.
1.3.4. Development of graphene aerogel-based electrode for CDI application.
1.3.5. Study of the characteristics of liquids acting in porous membranes.

2. Research Method and Results
2.1 Basic research for commercialization of graphene membrane: Enhanced stability of graphene oxide membranes via interstitial amide bonding and composite structure.
Research team has been conducting research to increase the coherence between the ultrathin graphene membrane and a support via chemical process. Also, research team found a new material (MXene) as composite material for next generation membrane.
Graphene oxide membrane made of amide bonding with a support displays excellent stability under ultra-sonication. Graphene oxide membrane with enhanced stability shows similar water flux (~4 L·m-2h-1bar-1) and high rejection performance above 99% to various dyes.
Fabrication of graphene oxide / MXene composite membrane with sub-nanometer (<1nm) interlayers.
Graphene oxide / MXene composite membrane shows nearly 100% rejection to various dyes and can be applied to solvent separation due to selective permeance results of various solvents.
Fabrication of graphene membrane just has started, so high quality papers and patents can be obtained as high performance graphene can be prepared. Additionally, owing to the high flux, selectivity and low bio fouling of graphene membrane, commercial polymer membrane can be replaced with developed graphene membrane. The application area of graphene membrane can be ranged from ultrafiltration to reverse osmosis membrane depending on the size of generated pores. Especially desalination using reverse osmosis membrane is most effective area to apply graphene membrane, dramatically reducing the high operation pressure.

2.2 Atomistic simulation study of water flow between graphene oxide membranes
Molecular dynamics (MD) simulation is applied to the two-dimensionally confined water system between two GO membranes to investigate water configuration and flow properties in this study.
We built a new reservoir simulation model for water flow between graphene oxide. The water flux in a pristine graphene channel and some types of GO channels were investigated. We could see some characteristics of water flow between GO membranes. Compared to water flow between pristine graphene channel, the flow between oxidized GO were inhibited by steric effects and hydrogen bonds of functional groups.
Inhibition of water flux in GO membranes is generated by van der Waals and Coulomb charge potentials between water molecules and functional groups.

2.3 Development of electrode materials for high-performance fCDI and Graphene NF membrane-fCDI hybrid desalination system
In the recent years, capacitive deionization (CDI) has been considered as one of the most outstanding desalination technologies due to its low operating potential (<2 V) and high water recovery rate (>90%). However, overcoming insufficient desalination performance such as ion removal capacity and charge efficiency still works as a critical challenge in the conventional CDI. In an effort to solve this problem, our group introduced the hybrid CDI (HCDI) which is an asymmetric system adopting a new type cathode electrode to the oneside of the CDI. All the desalination performance measurements of the HCDI were tested with setting the conventional CDI as a control group (All the measurement results would be discussed in the main text.). Through this research, we aimed to demonstrate our HCDI’s superiority over the conventional CDI in many standpoints of desalination performance and examine its compatibility for commercialization.
As far as we know, there exist no precedents that CDI system works in the brackish water electrolyte. However, in the HCDI, the PBA electrode represents uniform capture-ability for the all kinds of cations in the brackish water. Furthermore, the HCDI’s exercising IEM effect without adopting IEM has advantages in many perspectives. Therefore, we think that our HCDI system should be a promising candidate for the commercial desalination system.

2.4. Development of graphene aerogel-based electrode for CDI application
The team was able to synthesize graphene aerogels with ordered pores in the desired direction through hydrothermal synthesis and applied it as an electrode for graphene aerogel based capacitive deionization.
In addition, it was confirmed from macroscopic point of view that the controlling of the pore direction is responsible for the anisotropic electrical conductivity and anisotropic mechanical response of graphene aerogels. Furthermore, it is found that the performance of the capacitive deionization depends on the alignment direction of pores.
For the practical application of porous separators, a graphene-coated metal mesh is synthesized by chemical vapor deposition (CVD). Identification of factors related to permeability and repellency of porous membranes. To do this, we study the characteristics of liquids in porous membranes.
An electroactive flow switch was developed with graphene-coated meshes by actively controlling two antagonistic functions, hydrophobic repellency versus liquid permeability.

(출처 : Summary)

목차 Contents

• 표지 ... 1EEWS Research 2016 Final Report ... 2Summary ... 5국문 요약문 ... 101. Research Purpose ... 152. Research Target and Achievement ... 173. Research Method ... 194. Research Results ... 30 (1)Outcome results ... 30 (2)Further research required ... 49 (3)Findings deserve to press ... 495. Research Outcomes ... 50 (1) Publication ... 50 (2) Conference presentation ... 51 (3) Patents ... 51 (4)Creation of New Big Project ... 536. Reference ... 537. Total Research Output ... 541. 연구목적 ... 552. 연구목표와 성과 ... 573. 연구방법 ... 584. 연구결과 및 고찰 ... 69 (1) 연구결과 ... 69 (2) 수반되어야 할 (후속)연구내용 ... 88 (3) 보도할 만한 내용 ... 885. 연구결과물 발표실적 ... 89 (1) 논문 ... 89 (2) 학회발표 ... 89 (3) 특허 ... 90 (4) 대형 신규과제 발굴의 기여 ... 926. 참고문헌 ... 927. 연구실적 종합표 ... 92끝페이지 ... 93