본 연구에서는 막 결합형 축전식 탈염공정(Membrane capacitive deionization)에 적용할 폴리비닐플루오라이드를 지지체로 사용한 불균질 이온교환막을 제조하였다. 폴리비닐플루오라이드를 유기용매인 NMP에 녹여 상용화된 양이온 및 음이온교환수지를 분산시켜 제조하였고 그 배합비율은 용매와 지지체, 이온교환 수지 순으로 7:2:1로 고정하였다. 상용화된 카본전극에 불균질이온교환막을 250㎛두께의 casting knife를 이용하여 직접 캐스팅하여 제조하였다. 기존의 사각형 형태의 유로를 가진 축전식 탈염공정 셀의 데드존으로 인한 효율감소를 개선한 육각형 형태의 셀에 전극을 장착하여 실험을 진행하였다. 먼저 CFD분석을 통해 유동패턴을 조사하였고, 실험조건은 흡착전압, 흡착시간, 공급액의 농도, 유속등을 달리하여 탈염효율을 비교하였다.

분리막을 이용한 산업은 석유에너지 자원의 고갈과 동시에 친환경 에너지자원의 필요성이 대두되어 최근 들어 많은 연구가 이루어지고 있다. 이온기 그룹을 포함하는 고분자 분리막의 경우 해수담수, 전지 시스템 등 친환경 에너지 자원의 개발과 더불어 많은 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 이미다졸륨 그룹의 도입을 통해서 이온교환 관능기를 포함하는 폴리에테르에테르케톤계열고분자를 합성하여 음이온교환막 제조를 하였으며 이에 따른 연료전지 적용을 위한 다양한 특성평가를 진행하였다. 이온교환능 및 이온전도도를 분석하였다. 도입된 이미다졸륨기의 함량이 증가함에 따라 이온교환능 및 이온전도도가 향상이 되었음을 확인 할 수 있었다.

최근, 전세계적으로 물 부족 현상과 지역개발 및 산업 고도화, 인구증가와 함께 물 수요는 증가하고 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로 해수담수화 방법이 있다. 해수 담수화의 많은 방법 중 이온 교환막을 이용한 실험을 진행하였다. 본 연구에서는 Anion exchange resin을 대체할 수 있는 물질로 Polystyrene Latex입자를 제조 하였다. 제조된 입자에 chloromethylation과 amination을 통해 –NH3+, -NR3+, -PR3+, -SR2+등의 관능기를 도입하였으며, 제조된 입자와 고분자를 합하여 하이브리드 막 제조를 하였다. 특성평가로는 SEM, TGA, DSC, FT-IR, IEC Value를 통한 측정을 진행하였다.

기존에 많이 이용되고 있는 전기탈이온(EDI) 공정은 전기투석법과 이온교환수지법을 혼합한 공정이다. 그리고 공정에 이용되는 모듈은 전기투석을 위한 양･음이온교환막이 있으며 두 막 사이에 이온교환수지로 채워지는 형태이다. 그리고 모듈의 성능을 결정하는 인자로는 이온교환수지의 균질한 크기 분포도가 있다. 하지만 이온교환수지와 양･음이온교환막으로 인해 모듈의 크기가 커지는 단점이 있다. 이러한 점들을 바탕으로 현재 이온교환수지를 글라인딩하여 bipolar 형태의 막으로 만든 electro-adsorption deionization(EAD) 공정 모듈이 생산되고 있다. 본 연구는 현재 생산되고 있는 모듈보다 높은 이온교환능력을 가지는 이온교환고분자를 합성하고, 이온교환수지을 대신할 이온교환그룹을 가진 nano particle 제조하여 이 둘을 적절하게 조절하여 하이브리드막을 제조하였다. 그리고 제조된 하이브리드막은 전기화학적, 열적, 기계적 특성평가를 실시하였고, 그에 따른 고찰을 진행하였다.

이온교환막은 양이온 및 음이온을 선택적으로 분리할 수 있는 이온선택성을 지닌 막으로, 연료전지, 레독스전지, 전기투석, 역전기투석 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 본 연구에서는 암모늄 및 비닐 그룹이 수식된 실란들과 솔-젤 법을 이용해 암모늄 그룹과 비닐 그룹을 동시에 지니는 올리고실록산 수지를 합성했고, 본 수지와 비닐 및 아크릴아마이드계 모노머 solution의 광라디칼 중합반응과 PE계 다공성 지지체를 활용해 실리콘-비닐 하이브리드 음이온교환막을 제조했다. 합성된 올리고실록산 수지는 FT-IR 및 29 Si NMR에 의해 분석되었고, 수지 내 실록산 결합이 성공적으로 형성되었음을 확인했다. 또한, 제조된 실리콘-비닐 하이브리드 음이온교환막은 swelling 후 약 20um 두께를 지니고 있었고, 0.6 Ω·cm² 이하의 저항, 85%의 permselectivity, 1.5 meq g-1 정도의 ion exchange capacity (IEC)를 지니고 있었다.

A class of phenolphthalein anilide based poly(ethersulfone) (PES) block copolymers containing pendent quaternary ammonium (QA) groups was prepared as anion exchange membranes by reaction involving nucleophilic substitution, benzylic bromination, quaternization and anion exchange with hydroxide ions. Hexafluorobenzene (HFB) was utilized as a linkage group between the hydrophobic and hydrophilic oligomer blocks. Nano-phase separated membrane morphology due to block structure of poly (ethersulfone) serves for better management of absorbed water for higher hydroxide conductivity with good thermal, and dimensional stability. The water uptake, swelling ratio, conductivity, and chemical stability of the copolymer membranes were comparatively investigated.

이온교환막은 수용액중의 양이온 및 음이온을 선택적으로 분리할 수 있는 이온선택성 막으로서 기본적 개념, 실직적 응용 분야, 기술적 적절성 등에 있어서 다양한 공정들에 폭넓게 사용되어지고 있다. 이온교환막을 응용한 공정은 최근 저가·고효율 이온교환막의 개발로 경제적이며 친환경적인 분리 공정으로 주목받고 있다. 이온교환막을 이용한 분리 공정은 초순수 제조, 이온성 물질의 분리·정제, 산·염기 제조와 같은 다양한 산업 분야에 적용이 가능하다. 본 발표에서는 이온교환막의 상업적 공정 적용 사례를 소개하고 향후 이온교환막의 개선방향에 대한 제안을 통해 보다 실용적인 국내 이온교환막의 개발에 도움이 되고자 한다.

As a key element in the RED process, the membrane influences the overall power output of the RED stack. Especially, the membrane resistance is one of important properties of the membrane. In this study, CEM(cation exchange membrane) and AEM(anion exchange membrane) consisting of cross-linked polymers in a porous polyolefin substrate were developed to simultaneously satisfy high performance and cost-down of the applied RED system. Physico-chemically stable and ultrathin ion exchange pore filling membranes (cation exchange membranes and anion exchange membranes) with high ion transfer coefficients have been developed for reverse electrodialysis as an energy conversion system. The polymer electrolytes in both cases of cation exchangeable and anion exchangeable ones consisting of the whole hydrocarbon materials were introduced into porous hydrocarbon substrates and crosslinked by radical polymerization in this work. The thickness of the prepared pore filling membranes was controlled between 16 and 23 micrometers to extremely lower membrane resistance and to increase ion transfer. All the properties of the prepared membranes were compared with commercial membranes obtained from Tokuyama, Fuji, and Fuma-Tech. Furthermore, RED cell performance and energy efficiency using the prepared pore filling membranes were also evaluated.

레독스 흐름 전지(Redox flow battery)는 태양광, 풍력 등 재생에너지의 변동성을 수용하고, 원활한 전력의 공급 및 발전설비의 효율적인 활용을 위한 에너지 저장 시스템의 하나로 연구가 진행되고 있다. 특히 바나듐 레독스 흐름 전지(Vanadium Redox Flow battery, VRFB)는 재생에너지의 원활한 전력공급과 부하 평준화, 주파수 조절, 비상용 전력을 위한 에너지 저장 시스템으로 연구가 진행되고 있다. 바나듐 레독스 흐름 전지에서는 격막으로 이온교환막을 사용하고 있으며, 이온교환막의 바나듐 이온의 투과성, 막 저항은 전지의 전류효율, 전압효율에 영향을 미치고 있다. 본 발표에서는 VRFB용 이온교환막으로 요구되는 특성과 성능 측정 방법 등에 대해 설명하고자 한다.

Proton-exchange membrane (PEM) water electrolysis is a promising technology for hydrogen production. Meanwhile, recently, hydrogen water production has attracted great attention owing to the increasing demand in healthcare market. Therefore, hydrogen water production via PEM water electrolysis has also gained much interest. The PEM is the key component dominating the hydrogen production efficiency in the system. Although a Nafion meets the criteria for a number of key physical properties required for the operation in PEM water electrolysis, it is too expensive for commercial applications. In this work, therefore, we have developed the membrane electrode assembly (MEA) prepared with cost-effective pore-filled PEMs via a nonequilibrium impregnation-reduction (I-R) method.

The anion exchange membrane fuel cells (AEMFCs) have been regarded as the promising power sources. To develop promising AEMs, the most important components in AEMFCs, the properties of the conducting groups as well as the polymer backbones should be both considered. We recently developed PPO-based anion exchange membranes having various conducting groups, including ammonium, imidazolium, mopholinium. The preparation, characterization and properties of the corresponding membranes will be discussed in detail.

본 연구에서는 수계 내 포함된 양이온들 중 특히 중금속 이온을 효율적으로 분리할 수 있는 양이온 교환막을 개 발하였다. 기저 고분자로는 sulfonated polyetheretherketone (SPEEK)를 사용하였으며 이에 중금속 이온에 결합력이 강한 킬 레이팅 수지를 파우더링하여 첨가하였다. 또한 양이온 교환막의 성능을 최적화시키기 위해 킬레이팅 수지의 함량 및 SPEEK 의 이온교환용량을 제어하였다. 결과적으로 제조된 양이온 교환막을 막 축전식 탈염 공정(membrane capacitive deionization, MCDI)에 적용한 결과 중금속 이온 제거 효율이 20% 이상 향상됨을 확인할 수 있었다.

양이온(Na+) 및 음이온(Cl-)이 각각의 CEM과 AEM을 통해 선택적으로 분리되어 담수로 이동할 때 발생되는 전위 차와 산화/환원(redox couple)형 전해질을 포함하고 있는 전극에서 발생하는 전류를 이용하여 전기 에너지로 전환시키는 에너 지변환장치이다. RED 시스템의 핵심소재 중 하나인 이온교환막은 높은 출력 밀도를 달성하기 위해 1) 낮은 팽윤거동, 2) 적 절한 이온교환능, 3) 높은 이온전도도, 4) 높은 이온선택성을 만족시켜야 한다. 본 논문에서는 이를 만족시키는 소재 및 이온 교환막의 연구동향 및 전망에 대해 설명하였다.

본 연구에서는 막 결합형 축전식 탈염공정에 적용하기 위하여 고분자 지지체 polyvinylidene fluoride (PVDF)에 상용화된 양이온 및 음이온교환수지를 배합하여 불균질 이온교환막을 제조하였다. PVDF와 이온교환수지의 배합비율을 1 : 1, 1.4 : 1, 2 : 1, 3 : 1로 달리하였으며 SEM, 함수율, 이온교환용량, 메탄올 투과도, 이온전도도를 측정하여 물리화학적 특성을 평가하였다. 특성평가 결과 모든 특성을 고려하였을 때 2 : 1의 배합비율이 가장 우수한 값을 나타내었다. 2 : 1의 배합비율로 제조한 불균질 양이온교환막의 함수율은 34%, 이온교환용량은 1.54 meq/g, 이온전도도는 0.019 S/cm, 메탄올 투과도는 2.28 × 10-7~8.86 × 10-7 cm2/s의 값을 나타내었으며 불균질 음이온교환막에서는 각 각 37%, 2.18 meq/g, 0.034 S/cm, 1.46 × 10-7~8.66 × 10-7 cm2/s의 값을 나타내었다.

최근 이온 교환 고분자 전해질 막을 활용한 고효율 에너지 전환 및 저장 장치에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 고분자 전해질 연료전지, 레독스 흐름전지 및 역전기투석 등 다양한 에너지 시스템에서 에너지 효율 향상을 위해 이온 교환 전해질 막의 양/음이온의 선택적 수송 거동이 중요시되고 있다. 본 총설은 각각의 고효율 전해질 전지 시스템에 따라 요 구되는 다양한 이온 교환막의 선택적 양/음이온 투과 거동의 한계점을 고찰하고, 한계를 극복하기 위한 다양한 구조의 고분 자 이온 교환 복합막의 장점 및 단점을 정리하였다. 고분자 가교법 및 다공성 지지체 복합막 이외에 다양한 구조의 신규다공 성 무기 나노입자를 유-무기 이온교환 복합막에 도입하는 시도가 이루어지고 있는 동시에, 이온 선택도 향상을 위한 다양한 형태의 표면 개질 방법이 개발되고 있으며, 이를 통해 이온 교환 복합막의 선택적 양/음이온 거동의 한계를 극복하는 전략을 제시하고 있다.

Reverse electrodialysis (RED) is green energy technologies to produce electric power using the salinity gradient. The salinity gradient generates chemical potential difference by transport of ions through the membranes. In RED system, anion exchange membrane (AEM) and cation exchange membrane (CEM) play a major role in transporting cation (Na+) and anion (Cl-), respectively. Significant technical issue is how to enhance conductivity and permselectivity of membrane simultaneously in the system. In this study, we characterized influences of cationic functional groups on AEM. We evaluated conductivity and permselectivity of AEM introduced three types of cationic salt functional groups.

기존의 전기 탈이온 공정(EDI)은 전기투석법과 이온교환수지법을 혼합한 공정으로 알려져있다. 여기서의 모듈은 전기투석을 위한 양이온교환막과 음이온교환 막이 있고 이 막 사이에 이온교환수지를 채워 넣는 형태로 제조된다. 이에 이용 되는 양이온교환막으로 술폰화시켜 이온교환능을 가지게한 sulfonated SEBS triblock copolymer를 이용했다. 게다가 술폰화시킨 SEBS, 물 분자, 히드로늄 이온을 모델링하고 술폰화시킨 SEBS, 히드로늄 이온과 물분자의 의 동역학을 분자동역학시뮬레이션을 이용해서 살펴보았다. 그리고 실제 실험을 통한 비교분석 을 진행했다.

본 연구에서는 RO(Reverse osmosis) membrane과 이온교환수지를 이용하여 방사성 이온을 제거하였다. RO필터 2개회사, 3종(1종은 세정한 폐필터)으로 요오드와 세슘을 포함하는 공급수에 대해 2bar, 4bar의 압력, 10, 50, 100ppm의 공급수 농도로 실험을 하였다. 대체적으로 고압에서 높은 제거율을 얻을 수 있었으며, 고농도에서 높은 제거율을 얻을 수 있었다. 세정한 폐필터에 대한 결과 값으로 미루어 보았을 때, 세정효과가 큰 것을 확인할 수 있었다. 이온교환수지 도 3개회사의 제품을 사용하였으며, 같은 농도하에서 수지의 양을 달리하여 제거율을 비교하였다. 비교적으로 요오드보다 세슘에 대한 제거율이 높았으며, 혼합수지에 비해 단일수지의 제거율이 높은 것을 확인 할 수 있었다.

While commercial polystyrene-based ion exchange membranes have simple manufacturing processes, they also possess the poor durability due to their brittleness. Poly(ethylene glycol)methyl ether methacrylate with hydrophilic side chain of poly(ethylene glycol) (PEG) was used as a co-monomer to make the membranes have improved flexibility. Hydrophilicity/hydrophobicity of the anion exchange membrane was able to be adjusted by varying the chain lengths of the PEG. For the preparation of the anion exchange membranes, a porous PE substrate was immersed into monomer solutions and thermally polymerized. The prepared membranes were then subsequently post-aminated using trimethylamine. The prepared pore-filled anion exchange membranes were evaluated in terms of ion exchange capacity, electric resistance and water uptake.

수처리 공정에 대한 관심도가 매우 높음에 따라 본 연구에서는 이온교환막에 사용되는 이온교환수지를 대신할 물질로 이온그룹을 도입한 입자를 제조하였다. 기존의 이온교환 수지보다 나노 단위의 입자가 표면적으로 증가시켜 더 높은 이온교환능이 기대된다. 양이온은 –NH3 +,-NR3 +,-PR3 +,-SR2 +등의 관능기를 그리고 음이온은 -SO3 -,-COO-,-PO3 -,-C6H4O-등의 관능기를 도입한 단분산된 나노크기의 입자를 제조하여 각각 양전하와 음전하로 높게 하전시킬 수 있다. 입자들에 대해 제타전위를 측정하고, IEC, FT-SEM 및 FR-IR을 측정하여 특성평가를 진행하였다.