초록 ▼

개발 목적 및 필요성
■ 물의 재생과 재이용은 자본과 기술이 집약돼야 하는 산업으로서, 선진국들은 이를 대표적인 녹색기술로 삼고 정책적으로 지원하고 있음.
■ 이온성 물질을 제거하기 위한 새로운 기술로서 축전식 탈염(CDI ; Capacitive Deionization)기술이 각광받고 있음.
■ 축전식 탈염 기술의 탈염 성능과 에너지 소모량을 좌우하는 요소는 전극재료이므로 고성능의 전극재료 개발이 필요함.
■ 연구실 규모에서 다양한 고성능 탄소재료가 개발되었으나 실용화를 위해서는 비용과 성능을 함께 고려해야하며

개발 목적 및 필요성
■ 물의 재생과 재이용은 자본과 기술이 집약돼야 하는 산업으로서, 선진국들은 이를 대표적인 녹색기술로 삼고 정책적으로 지원하고 있음.
■ 이온성 물질을 제거하기 위한 새로운 기술로서 축전식 탈염(CDI ; Capacitive Deionization)기술이 각광받고 있음.
■ 축전식 탈염 기술의 탈염 성능과 에너지 소모량을 좌우하는 요소는 전극재료이므로 고성능의 전극재료 개발이 필요함.
■ 연구실 규모에서 다양한 고성능 탄소재료가 개발되었으나 실용화를 위해서는 비용과 성능을 함께 고려해야하며 이를 위해 축전식 탈염 기술에 최적화된 전극 개발이 필요함.
■ 축전식 탈염기술에 필요한 활성탄의 기공구조에 관한 연구 결과를 보유하고 있으나 아직 이러한 특성이 반영된 상용 제품이 개발되지 않음.

연구개발결과
■ 본 연구에서는 기존의 국내 활성탄 제조업체들이 가지고 있지 못한, 축전식 탈염기술용 전극에 최적화된 활성탄을 성공적으로 개발.
■ 축전식 탈염기술에 최적화된 활성탄이 갖추어야 할 요소는 많은 미세기공과 적정량의 중대기공, 그리고 친수성이 대표적.


■ 이러한 기공구조를 가지는 활성탄을 제조하기 위하여 목질계, 석탄계, 석유계 등의 다양한 원재료에 대하여 물리적, 화학적 활성화법을 적용하였음.
■ 다양한 원재료와 다양한 조건 하에서 십여 종의 활성탄을 제조하였으며, 대표적 특성인 비표면적의 경우 약 250 m²/g에서 1500 m²/g에 이르는 폭넓은 분포를 보임.
■ 이들 활성탄에 대한 탈염 성능 분석 결과, 야자각 원재료를 950℃에서 3시간동안 수증기로 활성화시킨 CO-1100 활성탄이 기존의 고가 외산 활성탄인 P60에 비하여 약 109%의 성능을 보여 본 과제의 최종 목표인 80%를 크게 웃도는 것으로 나타남.
■ 그 외에도 톱밥을 활성화시킨 WP-1000은 좋은 초기 탈염 성능을 보였으며, 석유 피치를 활성화시킨 FP-1500은 P60을 뛰어넘는 성능(약 125%)을 나타냄.
■ 위의 CO-1100, WP-1000, FP-1500은 현 시점 혹은 가까운 장래에 곧바로 공급 가능한 활성탄이라 할 수 있으며 그 가격 또한 3500~4500원 수준으로 17000원 수준인 P60에비하여 매우 저렴함(약 25%).
■ 따라서 저렴하면서도 기존 외산 활성탄과 비슷하거나 보다 높은 성능을 가지는 활성탄을 국내 활성탄 제조업체에서 생산할 수 있다는 성공적인 결과를 얻음.
■ 또한 좋은 성능을 보인 재료 중 CO-1100, FP-1500을 총괄주관기관인 ㈜시온텍에 제공하여 시제품을 제작하여 성능을 테스트한 결과 P60과 거의 같은 성능을 보여, 곧바로 대체할 수 있을 것으로 판단됨.
■ 더 나아가 더 좋은 탈염 성능을 얻기 위하여 기존에 적용되지 않은 화학적 활성화법을 새롭게 적용하여 활성탄을 제조하였음.
■ 그 결과물인 CK-1800과 CCK-2000은 약 2000 m²/g 에 이르는 높은 비표면적을 가짐과 동시에 많은 미세기공을 보유하여, 기존 외산 활성탄을 훌쩍 뛰어넘는 성능(각각 127%, 138%)을 보였음.
■ 이들 재료는 현재 곧바로 상용화하기는 힘든 개발단계의 활성탄이지만, 추후 특성 개선 및 생산공정 최적화를 통해 상용화할 경우 축전식 탈염기술 뿐 아니라 이를 전극으로 사용하는 이차전지나 커패시터와 같은 에너지 저장 소재 분야에서도 활용이 가능할 것으로 기대됨.
■ 재료 외에 시스템에 대한 접근을 통해 칼슘 알지네이트를 이온교환막 대신에 사용한 시스템을 개발하여 연수화 기술로서의 축전식 탈염기술의 가능성을 확인하였음.

성능사양 및 기술개발 수준
■ 참여기업 상용 활성탄: 기존 외산 활성탄 대비 81%
■ 생산공정 최적화 후 상용가능 활성탄: 기존 외산 활성탄 대비 109%
■ 화학적 활성화를 이용한 개발단계 활성탄: 기존 외산 활성탄 대비 127~138%%
■ 활성탄 비용 75%~88% 절감

활용계획
본 연구를 통해 개발된 활성탄은 보다 저렴한 값으로 기존 외산 활성탄과 비슷하거나 보다 높은 탈염성능을 가지며, 국내에서 생산, 유통되므로 특히 국내 기업이 사용하기에 유리한 면이 있다. 그러므로 활성탄을 전극재료로 사용하는 모든 분야에서 기업의 시장진입장벽이 낮아지며 기존 기업의 기술력 향상 및 단가 절감 등 많은 분야에 활용될 수 있다. 이에 따라 축전식 탈염기술이 다양한 농도를 가지는 기수급 하․폐수를 대상으로 하는 수처리 기술로서 충분한 가능성을 지니고 있음이 확인되었다.

( 출처: 요약서 3p )

Abstract ▼

Ⅳ. Results
■ In this research, optimized activated carbon for CDI which other activated carbon company have not been able to manufacture was successfully developed.
■ Key features required for the optimized activated carbon in CDI are large and moderate amount of micro- and mesopores, respecti

Ⅳ. Results
■ In this research, optimized activated carbon for CDI which other activated carbon company have not been able to manufacture was successfully developed.
■ Key features required for the optimized activated carbon in CDI are large and moderate amount of micro- and mesopores, respectively.
■ For those purpose, various raw materials such as woods, coals, and fossil-fuels were activated by physical or chemical activation method.
■ About ten activated carbons were fabricated with various raw materials under different activation conditions (specific surface area range from 250 m²/g to 1500 m²/g).
■ Among those activated carbons, CO-1100 which is activated from coconut shell under 950℃ for 3 hours showed 109% of desalination performance compared to that of P60 (Note that P60 have been applied as an electrode material in commercial CDI module.).
■ This result highly exceeded the project’s goal of meeting 80% of P60 performance.
■ WP-1000 from wood powder showed fast desalination performance in early charging step and FP-1500 from fuel pitch had higher desalination performance than P60 (about 125%).
■ The prices of CO-1100, WP-1000, and FP-1500 are activated carbons that can be commercialized immediately or shortly. Their price ranges about 3500~4500 won, which much lower compared to 17000 won of P60 (approx. 25% cheaper).
■ Therefore, we successfully developed cheaper and superior activated carbon than foreign ones with technology of Korean carbon company.
■ Among the best performing activated carbon, CO-1100 and FP-1500 were selected and given to Siontech. Siontech manufactured a CDI module with the given activated carbon and the CDI module had similar performance with the CDI module assembled with P60. Hence, manufactured activated carbon can immediately replace P60.
■ Furthermore, chemical activation method was applied to develop novel AC which can remove more ions. As a result, CK-1800 and CCK-2000 were fabricated and they had specific surface area as about 2000 m²/g and contained high micropore ratio. They exceeded the performance of conventional foreign activated carbon (127% and 138% compared to P60, respectively).
■ Although AC fabricated by chemical activations are still under development, after further improvement in material properties and optimization in manufacturing process, they are expected to be applied as high performing electrodes not only in CDI but also in energy storage systems (e.g. secondary battery and supercapacitors)
■ We also observed possibility of CDI application in hardness control using calcium alginate as an alternative material to conventional ion exchange membrane.

( 출처: SUMMARY 12p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 요 약 서 ... 3
• 요 약 문 ... 7
• SUMMARY ... 11
• 목차 ... 14
• 표목차 ... 15
• 그림목차 ... 16
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 18
• 1-1. 연구개발 목적 ... 18
• 1-2. 연구개발의 필요성 ... 19
• 1-3. 연구개발 범위 ... 20
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 20
• 2-1. 해외 기술개발 현황 ... 20
• 2-2. 국내 기술개발 현황 ... 23
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 24
• 3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표 ... 24
• 3-2. 연구개발 결과 및 토의 ... 25
• 가. 1차년도 연구결과 ... 25
• 나. 2차년도 연구결과 ... 35
• 3-3. 연구개발 결과 요약 ... 70
• 4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 ... 71
• 4-1. 목표달성도 ... 71
• 4-2. 관련분야 기여도 ... 71
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 73
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 74
• 6-1. Alginate 바인더 ... 74
• 6-2. Ordered mesoporous carbon fabrication ... 75
• 6-3. 활성탄 제조 ... 76
• 6-4. 이온 선택성 전극을 이용한 인 제거 기술 ... 77
• 6-5. OMC 기반 미세기공 형성 ... 78
• 7. 연구개발결과의 보안등급 ... 79
• 8. 국가과학기술종합정보시스템(NTIS)에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 79
• 9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 80
• 10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 ... 80
• 11. 기타사항 ... 80
• 12. 참고문헌 ... 80
• 끝페이지 ... 84