현재 해수담수화 공정은 지속적인 연구를 통해 많은 개발이 이루어지고 있다. 그중 전기흡착탈이온(EAD) 공정은 이온교환막을 이용한 전기투석법과 이온교환수지를 이용한 이온교환수지법을 혼합하여 이루어지는 공정이다. 보다 효율적으로 이온교환이 이루어질 수 있는 공정이지만, 이온교환막 사이에 이온교환수지가 들어가기 때문에 사이즈가 비교적 크다. 또한, 이온교환수지의 크기 분포와 당량비가 모듈의 성능에 영향을 준다. 본 연구는 현재 상용화되고 있는 이온교환공정에서 쓰이고 있는 모듈의 문제해결과 성능 향상을 위해 보다 이온교환용량이 향상된 고분자와 현재 쓰이고 있는 일반적인 이온교환수지가 아닌 더 작고 균질한 이온교환능력을 가진 이온교환 나노입자를 제조하여 제막을 진행하였고, 다양한 특성평가가 이루어졌다.

With the significant increase in spent ion-exchange resin generation, to meet the requirements of Waste Acceptance Criteria (WAC) of the Wolsong disposal facility in Korea, blending is considered as a method for enhancing disposal options for intermediate level waste from nuclear reactors. A mass balance formula approach was used to enable blending process with an appropriate mixing ratio. As a result, it is estimated around 44.3% of high activity spent resins can be blended with the overall volume of low activity spent resins at a 1:7.18 conservative blending ratio. In contrast, the reduction of high activity spent resins is considered a positive solution in reducing the amount of spent resins stored. In an economic study, the blending process has been proven to lower the disposal cost by 10% compared to current APR1400 treatment. Prior to commencing use of this blending method in Korea, coordinated discussion, and safety and health assessment should be undertaken to investigate the feasibility of fitting this blending method to national policy as a means of waste predisposal processing and management in the future.

기존에 많이 이용되고 있는 전기탈이온(EDI) 공정은 전기투석법과 이온교환수 지법을 혼합한 공정이다. 이 공정에 이용되는 모듈은 전기투석을 위한 양･음이 온교환막, 두 막 사이에 이온교환수지로 채워지는 형태이다. 하지만 이온교환수지와 양･음이온교환막으로 인해 모듈의 크기가 커지는 단점이 있다. 이러한 점 들을 바탕으로 현재 이온교환수지를 글라인딩하여 바이폴라형태의 막으로 만든 전기흡착탈이온 공정 모듈이 생산되고 있다. 본 연구는 모듈에 적용할 수 있는 높은 이온교환능력을 가지는 이온교환고분자를 합성하고, 이온교환수지을 대신 할 이온교환그룹을 가진 나노입자를 제조하여 이 둘을 적절하게 조절하여 하이브리드막을 제조하였다. 그리고 제조된 하이브리드막은 다양한 특성평가를 실시하였고, 그에 따른 고찰을 진행하였다.

해수담수화에 적용하기위한 이온교환막에 대한 연구이다. 이온교환막은 역삼투막에 비해 높은 효율을 가지며, 이에 따라 본 연구는 고분자와 입자를 섞어주어 복합막을 제조했다. 입자의 경우 표면적이 크고 좁은 입자크기 분포를 나타 내어 높은 이온교환용량을 나타낸다. 입자를 제조하여 양이온은 –NH3 +, -NR3 +, -PR3 +, -SR2 + 등의 관능기를 그리고 음이온은 –SO3 -, -COO-, -PO3 -, -C6H4O- 등의 관능기를 도입함으로써 양전하와 음전하로 높게 하전시킬 수 있다. 입자를 제조 하고 크기와 형상을 확인하기 위해 FE-SEM, 정량적 분석을 위한 FT-IR, 전기적 특성을 확인하기 위해 zeta potential, IEC value 그리고 열적 특성 평가를 위해 TGA, DSC를 사용하여 특성을 파악하였다.

Ion-exchange membranes which consist of polymer backbones attached with fixed charge groups have been widely used in various electrochemical water treatment and energy processes. A pore-filled ion-exchange membranes (PFIEMs), composed of an inert and tough porous substrate and an ionomer that fills the pores, is considered as a promising candidate for various commercial applications because they can be manufactured via a cheap process and also provide both high ion conductivity and excellent mechanical properties. We will introduce the recent results on the development of high performance PFIEMs for various electrochemical applications such as direct fuel alkaline fuel cells, reverse electrodialysis, and capacitive deionization etc. (Acknowledgements: NRF-2015H1C1A1034436 and MOTIE-10047796)

Recently, the most commonly used membrane in vanadium redox flow battery (VRFB) is hydrocarbon-based cation exchange membrane. However, hydrophilic blocks or hydrophilic moieties have been considered as the main reason on degradation of hydrocarbon-based ionomers, while the significance of hydrophobic moiety has been neglected in ionomers. Herein, the poly(p-phenylene)s-based cation conducting polymeric membrane materials with different hydrophobic block structures were successfully synthesized by Ni(0)-catalyzed coupling polymerization for investigating the effect of the hydrophobic block structure on durability of membrane in VRFB.

본 연구에서는 다공성 폴리에틸렌 지지체를 기반으로 세 가지 가교제를 혼합 도입한 세공충진 이온교환막을 제조 하고 역 전기투석에서 멤브레인의 특성이 발전성능에 미치는 영향을 고찰하였다. 실험 결과, 분자 크기가 다른 가교제를 혼합 함으로써 이온교환막의 가교도 및 자유체적이 효과적으로 조절됨을 확인하였으며 상관 분석을 통해 멤브레인의 전기화학적 특성 및 이를 적용한 역 전기투석의 발전성능에 복합적인 영향을 미침을 알 수 있었다. 특히 세공충진 양이온 교환막은 최적 가교조건에서 상용막 대비 동등 이상의 발전 성능을 나타내었으며 음이온 교환막 또한 상용막에 근접하는 우수한 성능을 나 타내었다.

본 연구에서는 얇은 폴리에틸렌 계 다공성 필름(두께 = 25 μm)에 이오노머를 충진시킨 세공충진 이온교환막을 개발하였으며 이를 적용한 전 바나듐 레독스 흐름전지의 충방전 특성을 고찰하였다. 특히 분자 크기가 다른 가교제를 혼합함 으로써 이온교환막의 가교도 및 자유체적을 적절히 제어하여 저저항 및 저 바나듐 투과도를 나타내는 이온교환막을 제조하 고자 하였다. 실험 결과, 제조된 세공충진 이온교환막은 상용막 대비하여 동등 수준의 우수한 전기화학적 특성을 나타내었다. 또한 바나듐 이온 투과도 및 전 바나듐 레독스 흐름전지 성능 평가 실험을 통해 얇은 막 두께에도 불구하고 상용막 대비하여 낮은 바나듐 이온 투과도와 높은 충방전 효율을 나타냄을 확인하였다.

본 연구에서는 막 결합형 축전식 탈염공정에 적용을 위해 폴리비닐플루오라이드를 고분자 지지체로 사용하여 양이 온 및 음이온교환수지를 배합하여 제작된 불균질 이온교환막을 탄소전극에 결합하여 염 제거 효율을 알아보고자 하였다. 불균 질 이온교환막의 배합 조건은 용매, 고분자 지지체, 이온교환수지를 7 : 2 : 1의 무게 비율로 하였으며 탄소전극에 직접 캐스팅 하였다. 운전조건으로 공급액은 주로 NaCl 수용액에 대하여 흡착전압, 시간, 공급액의 농도, 유속, 탈착전압, 시간 등에 대하여 염 제거 효율을 측정하였으며 이 외에 CaCl2과 MgSO4 수용액에 대하여서도 측정하였다. 대표적으로 NaCl 100 mg/L 용액의 15 mL/min에서 1.5 V, 3분의 흡착조건, -0.1 V, 3분의 탈착조건에서 98%의 염 제거 효율을 보였으며, CaCl2과 MgSO4는 100 mg/L, 15 mL/min에서 1.2 V, 3분의 흡착조건, -0.5 V, 5분의 탈착조건에서 각각 70, 59%의 염 제거 효율을 보였다.

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.

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 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.

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.

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.