초록 ▼

○ 연구개요
본 연구의 목표는 전해질 용액의 농도 차이로부터 전력을 회수하는 역전기투석 (Reverse Electrodialysis, RED) 전지 스택과, 그 역방향 조작으로서 이온을 선택적으로 분리할 수 있는 전기투석(Electrodialysis, ED) 모듈을 제작, 평가하고, 그 특성에 대한 이론적 해석을 통하여 농도 차 에너지 회수기술과 더불어 전기투석 공정의 효율과 적용성을 제고하는 것이다. 본 연구는 미시적인 차원에서 전기투석 현상의 전기화학적인 원리와 전계효과 및 선택적 이온 확산에 대한 이동현상을 규명하고, 고

○ 연구개요
본 연구의 목표는 전해질 용액의 농도 차이로부터 전력을 회수하는 역전기투석 (Reverse Electrodialysis, RED) 전지 스택과, 그 역방향 조작으로서 이온을 선택적으로 분리할 수 있는 전기투석(Electrodialysis, ED) 모듈을 제작, 평가하고, 그 특성에 대한 이론적 해석을 통하여 농도 차 에너지 회수기술과 더불어 전기투석 공정의 효율과 적용성을 제고하는 것이다. 본 연구는 미시적인 차원에서 전기투석 현상의 전기화학적인 원리와 전계효과 및 선택적 이온 확산에 대한 이동현상을 규명하고, 고효율 전지 및 전기투석 장치 응용을 위하여 고선택성 고투과성 이온교환막을 개발하고자 하였다. 또한 농도 차 발전에 적합한 새로운 개념의 선택적 이온교환 소재의 개발 및 역전기투석 전지의 구조설계를 수행하고, 수치해석 모델링을 통하여 역 전기투석 및 전기투석 공정의 효율을 극대화하였다.

○ 연구 목표대비 연구결과
본 연구개발은 농도 차 발전 및 전기투석 용도에 특화된 고성능 이온교환막 소재를 개발하는 것을 주요 내용으로 하며, 기존 치밀성 고분자 이온교환막을 포함하여 다공성 유/무기 막소재로부터 이온교환막을 제조하는 기술과 더불어 능동형 이온 이동제어 원리를 활용하는 선택적 이온이동 소재 제작 기술을 개발하고자 하였다.
다공성 막 소재로부터 이온교환막을 제조하는 기술은 나노 기공을 갖는 다공성 유/무기 소재의 표면에 이온성 관능기를 부여하는 기능화 방법과, 마이크로 기공을 갖는 다공성 지지체에 이온교환 소재를 도포하거나 함침 또는 침적시키는 방법을 연구하였다. 본 과제에서 연구 개발되는 이온교환막 소재는 전기투석에 의한 분리공정과 확산투석에 의한 에너지 회수에 적용하는 것을 목표로 하였으며, 각각의 용도에 특화된 이온교환 소재 및 작용 기제를 연구개발 하였다. 나노 기공의 벽면이 이온성 관능기로 기능화된 막 소재의 경우, 선택적 이온 교환 성능을 저해하는 삼투 현상의 정량적인 해석과 특성화를 위해 개별 기공 수준에서의 Nernst – Planck – Poisson –Boltzmann (NPPB) 해석을 적용하여 표면하전 농도, 기공의 구조에 따른 이온선택성,이온 전달에 관한 전기적 저항 특성 등을 도출하고 실험 결과와 비교하였다.
확산투석 스택전지의 출력 성능은 공급되는 담수와 농수의 농도, 유량, 온도, 이온교환막의 선택적 이온투과성 및 막저항, 전지의 구조에 따라 결정되기 때문에 각각의 변인에 대한 영향을 파악하기 위한 실험과 이론적 해석을 수행하였다. 스택전지를 구성하는 이온교환막의 전기화학적인 물성(막저항, 상보투과계수, 이온확산도, 선택도 등)을 특성화하였고, 이 같은 이온 이동현상의 특성데이터는 확산투석 스택전지의 출력거동을 해석하고 이를 예측하기 위한 기초 자료로 활용되었다. 본 연구에서는 단위 셀 내부 유동 및 이온 이동현상에 대한 집중매개(lumped parameter) 해석모델과 분산매개(distributed parameter) 해석 모델, 스택 셀의 등가회로(equivalent circuit) 모델을 적용하였고, 스택전지 거동에 대한 수치해석과 모델링을 통해 이온교환막 기초 물성과 운전조건 및 전지구조 자료로부터 전지의 출력성능을 예측할 수 있는 방법론을 개발하였다.

○ 연구개발결과의 중요성
전세계 수계 분리막 관련 기술의 시장규모는 160조원에 이르고, 이온교환 소재 및 이온교환막과 관련된 시장 규모는 약 20조원으로 매년 10~15% 성장률을 보이고 있다. 본 연구과제에서 개발된 이온교환막 소재를 이용한 이온이동 제어기술은 고부가가치 소재 자체를 생산하는 첨단 나노기술과 접목하여 새로운 개념의 고도 수처리 공정으로 개발될 수 있다. 또한 수소 생산을 위한 음이온교환막 수전해 시스템과 수산화이온교환 연료전지 시스템은 해당 분야에서 신재생에너지의 활용도를 획기적으로 개선할 수 있는 가능성을 지닌다. 특히 수소이온교환막을 사용하는 경우와 대비하여 고가 귀금속 촉매 사용이 불필요해짐에 따라 관련 기술의 경제성을 획기적으로 제고할 수 있는 가능성을 보이고 있다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 10
• (1) 전계효과에 의한 고선택성 고투과성 이온교환막 소재 ... 10
• (2) RED 전지스택 및 ED 모듈 설계 및 성능거동 해석 ... 12
• (3) 전계효과에 의한 능동형 이온교환 소재 개발 ... 14
• (4) 상압 플라스마를 활용한 다공막 표면의 이온성 기능화와 복합이온교환막 제조 ... 15
• (5) 나노채널의 표면전하에 의한 선택적 이온 이동현상 수치모사 ... 16
• (6) 나노입자 세공 충진에 의한 복합 이온교환막 제조 ... 18
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 18
• 4. 참고문헌 ... 19
• 5. 연구성과 ... 20
• 대표적 연구실적 ... 20
• 끝페이지 ... 24