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.

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. 이러한 점들을 바탕으로 현재 이온교환수지를 글라인딩하여 bipolar형태의 막으로 만든 electroadsorption- deionization(EAD) 공정 모듈이 생산되고 있다. 본 연구는 현재 생산 되고 있는 모듈보다 높은 이온교환능력을 가지며 바인더 역할을 할 수 있는 고 무상의 고분자를 합성하고 이온교환수지대신 이온교환능을 가진 nano particle을 이용하여 복합막을 제조하였다.

The characteristics of aqueous lithium recovery by ion exchange were studied using three commercial cation exchange resins: CMP28 (porous type strong acid exchange resin), SCR-B (gel type strong acid exchange resin) and WK60L (porous type weak acid exchange resin). CMP28 was the most effective material for aqueous lithium recovery; its performance was even enhanced by modifying the cation with K+. A comparison to Na+ and H+ form resins demonstrated that the performance enhancement is reciprocally related to the electronegativity of the cation form. Further kinetic and equilibrium isotherm studies with the K+ form CMP28 showed that aqueous lithium recovery by ion exchange was well fitted with the pseudo-second-order rate equation and the Langmuir isotherm. The maximum ion exchange capacity of aqueous lithium recovery was found to be 14.28 mg/g and the optimal pH was in the region of 4-10.

막결합 축전식 탈염에 적용하기 위하여 불균질 이온교환막을 제조하였다. 이온교환수지 분말과 LLDPE (linear low density polyethylene) 혼합물을 압착시켜 불균질 이온교환막을 제조하였다. 제조한 막의 막 특성 분석과 MCDI 탈염실험 을 실시하였다. 이온교환수지의 함량이 증가할수록 막의 전기저항은 감소하였고 함수율은 증가하였다. 그러나 막의 이온선택 성을 나타내는 이온 수송수는 상업용 균질 막과 유사한 성능을 나타냈다. MCDI 탈염실험 결과 탈염량은 불균질 막의 높은 전기저항으로 인해 균질 막을 이용한 셀의 탈염량의 90% 수준을 나타냈다. 불균질 이온교환막은 균질 막에 비해 탈염성능은 다소 감소하였지만 제조가 간편하고 가격이 저렴하여 MCDI에 적용이 가능할 것으로 판단되었다.

본 연구에서는 분리, 흡착에 관한 물리적인 수처리 공정이 매우 중요해짐에 따라 이번 연구에서 Track-etched polycarbonate membrane이 친수성의 성질을 가지며 균일한 기공크기를 가지고 기계적 강도가 우수한 점을 활용하여 제조를 진행하였다. 이 분리막에는 표며이 하전 된 균일한 크기의 나노입자를 포함시킨 후 제거 능력에 대한 분리 특성평가를 진행하였다. 유화중합을 통해 얻어진 Polystyrene particle을 Cation/Anion으로 각각 하전시켰고 이 Latex입자들의 특성을 파악하기 위해 SEM, DSC, FT-IR 및 Zeta를 측정 진행하였다. 동시에 PC membrane이 갖는 표면 전하 및 기공크기와 입자의 표면이 갖는 전하 및 입자 크기에 따른 수투과도에 대한 조사를 진행하였다.

이번 연구에서는 기존의 이온교환 수지를 대체 할 수 있는 물질에 대한 연구를 진행하였다. 이에 대한 물질로는 유화중합을 통해 Styrene monomer를 활용한 Polystyrene particle을 제조하였다. 이온기가 도입된 입자의 경우 기존의 이온교환수지보다 표면적이 훨씬 크고, 입자 크기가 작아 좁은 분포를 나타내어 더 높은 이온 교환 용량을 나타냄을 확인 하였다. 단분산된 입자에 Sulfonation 반응을 통해 -SO3 -관능기를 도입하였으며 이외에도 -COO-, -PO3 -, -C6H4O- 등의 관능기를 도입함으로써 SEBS 고분자 분리막을 음전하로 높게 하전 시킬 수 있 었다. 입자를 제조하고 이에 따른 특성평가는 SEM, FT-IR, Zeta potential, IEC value등의 전기적 특성과 TGA, DSC 등의 열적 특성을 파악하였다.

본 연구에서는 수용성 고분자인 Polyvinylalcohol (PVA)를 이용하여 4급암모늄기를 도입한 음이온교환고분자와 술폰기가 도입된 양이온교환고분자를 합성하였다. 합성한 이온교환고분자는 FT-IR, 함수율, 이온교환용량 등의 특성평가를 실시하였으며, 탄소전극에 캐스팅법으로 이온교환고분자 용액을 코팅하여 전극을 제조하였다. 제조한 탄소전극은 정육각형 형태의 유로를 가지는 셀을 이용하여 염 제거 효율을 비교하였다. 탈염 실험은 유속 15, 25, 35 ml/min에서 진행 하였으며 흡⋅탈착 시간 및 전압을 변화시켜가며 실시하였다. 또한 공급액의 농 도 및 종류를 달리하여 실험하였다.

Crosslinked ion exchange resin composite membranes were prepared by casting sulfonated polystyrene(SPS) solution with suspended ion exchange resin(crosslinked SPS) and crosslinker (trimethylolpropane ethoxylate triacrylate (TMPETA)) follow by gamma-ray irradiation. The physicochemical properties of the composite membranes were evaluated by measuring gel-fraction, ion exchange capacity, water-uptake and dimensional stability. We confirmed that the introduction of ion exchange resin and radiation crosslinking in the membranes improved the water uptake, dimensional stability and permselectivity.

상용화되고 있는 이온교환막의 경우 제조공정은 PVC를 분말을 paste로하여 PVC천에 함침시켜 제조하고 있다. 이러한 제조공정은 공정상의 어려움 및 제조 원가의 상승의 요인으로 지적되어 왔고, 이에 최근 PVC 비다공성 필름 지지체 가 특정 모노머에 팽윤하는 성질을 이용하여 함침 시키는 기술이 소개되고 있다. 그러나 이 또한 이온교환기를 도입하기 위해서는 슬폰화반응 및 4급 아민화 반응이 수반되어져야만 한다. 본 연구에서는 이런 이온교환기의 도입공정을 보다 단순화시키기 위한 방안의 제안 및 기초실험과정을 보고하고자 한다.

본 연구에서는 기존의 음이온 교환 수지를 대체하기 위한 물질로써 Emulsion polymerization을 통해 Polystyrene Latex입자를 제조하였다. 관능기를 도입한 입자를 활용하였을 때 기존의 이온교환 수지가 가지고 있는 특성보다 좁은 분 포도를 가지며 훨씬 높은 표면적을 나타낸다. 단분산된 나노크기의 입자에 Chloromethylation과 Amination 반응을 통해 -NH3 +, -NR3 +, -PR3 +, -SR2 + 등의 관능기를 도입함으로써 SEBS 고분자 분리막을 양전하로 높게 하전시킬 수 있다. 입자를 제조하고 SEM, FT-IR, Zeta potential, IEC value 등의 전기적 및 TGA, DSC등의 열적인 부분을 특성평가 진행하였다.

본 연구에서는 역전기투석 응용을 위해 엔지니어링 고분자 기반의 이오노머와 다공성 폴리에틸렌 지지체를 사용 한 세공충진 이온교환막을 제조하고 이를 결합한 이오노머-세공충진 복합막을 제조하였다. 이온전도도가 높은 이오노머와 우 수한 기계적 강도를 가진 세공충진막을 결합함으로써 상용 이온교환막(AMX/CMX, Astom Corp., Japan) 대비 동등 수준의 전기화학적 특성 및 응용에 적합한 물리적 안정성을 확보할 수 있었다. 제조된 이오노머-세공충진 복합막을 이용하여 역전기 투석 성능을 평가한 결과 상용막 대비 음이온 교환막의 경우 86.4%, 양이온 교환막은 104.8% 수준의 우수한 발전성능을 나 타내었다.

The US Department of Energy’s Idaho National Laboratory (INL) has been operating a molten salt electrorefiner at their facility since 1996. The baseline method for disposal of the radioactive salt is the ceramic waste process which generates glass bonded sodalite loaded with chloride salts. This process starts with the high temperature absorption of the salt into zeolite-4A. The salt-loaded zeolite is then blended with glass frit and heated to form a sintered, glass-bonded sodalite. INL is currently assessing alternatives for disposal of the ER salt because of the lengthy processing times, costly equipment and large volume of waste associated with the baseline process. An alternative process was studied, where protonated zeolite was used instead of alkali metal-substituted zeolite. It was found that the metals contained in the salt can replace the protons in the zeolite which are evolved via formation of HCl. From the standpoint of generating a nuclear waste form, the evolution of HCl gas should reduce the weight of the final waste. It has been estimated that the volume of waste produced from immobilizing the INL electrorefiner salt could be reduced by a factor of three using this process followed by sintering the fission product loaded zeolite. Equipment requirements in the hot cell would be significantly simplified, and the time to process all of the waste salt would be reduced by almost a factor of 4. An investigation into the new process has been presented here.

본 연구에서는 탄화수소계열 고분자인 sulfonated poly arylene ether sulfone(SPAES) 고분자를 이용하여 연료전지용 전해질막을 제조하였으며 메탄올 투과도를 최적화 하기 위하여 소수성 고분자인 polyethersulfone(PES), Polyvinylidene fluoride (PVdF) 를 소량 첨가하여 블렌드막을 제조하였다. 제조된 분리막은 연료전지용 전해질 막으로써 요구되는 물리적, 화학적 안정성, 이온전도도, 셀 테스트등의 기본 물성을 측정하여 잠재적인 적용 가능성을 테스트 해보았다 또한 분자동력학 시뮬레이션을 이용하여 소수성 고분자와 SPAES고분자의 혼화성 측정과, 이온 및 메탄올 분자의 투과도를 예측해 보았으며 이를 이용하여 실제 실험 결과와 비교 분석을 진행하였다.

Very recently, an efficient electrochemical desalination process employing bipolar membranes with large ion-exchange area is being developed (so-called ‘electro-adsorptive deionization’). In this process, ions dissolved in a feed solution can be removed through an ion-exchange mechanism under a strong electric field (a forward bias condition). The membranes can also be regenerated without the use of additional chemicals by the water-splitting reactions which occur at the bipolar junction of membranes (a reverse bias condition). In this work, we have developed novel bipolar membranes containing iron oxide/hydroxide catalysts. In addition, the ion-exchange capacities of the bipolar membranes have been largely enlarged by embedding finely powdered ion-exchange resins. (No. 10047796) (No. 2015H1C1A1034436)

이온교환막은 전기투석, 연료전지 외에도 수처리 공정에 있어 관심도가 매우 높다. 본 연구에서는 이온교환막에 사용되는 이온교환수지를 대신할 물질로써 입자를 제조하였다. 나노단위의 입자가 표면적을 증가시켜 기존의 이온교환수지보다 더 높은 이온교환능이 기대된다. 단분산된 나노크기의 입자를 제조하여 양이온은 -NH3+,-NR3+,-PR3+,-SR2+등의 관능기를 그리고 음이온은 –SO3-,-COO-,-PO3-,-C6H4O- 등의 관능기를 도입함으로써 각각 양전하와 음전하로 높게 하전시킬 수 있다. 입자를 제조하고 이에 따른 제타전위를 측정하고 IEC, FT-SEM, TGA 및 FT-IR을 측정하여 특성을 파악하였다.

Polysulfone 고분자를 각각 설폰화 및 아민화하여 양이온교환막과 음이온교환막 용액을 합성하였으며 전극에 코팅하여 축전식 탈염공정 실험을 수행하였고, 막을 코팅하지 않은 축전식 탈염공정과 배출수의 농도와 염제거율을 비교하였다. 흡/탈착 전위는 1V/-0.3V로 고정하였으며 공급액의 유속을 15/25/30 ml/min, 공급액의 농도를 100/200/300/500 ppm, 흡착시간을 2/3/5/7min으로 하고 탈착시간을 1min으로 하여 실험을 수행한 결과 MCDI가 CDI 결과보다 2～3배 가량 우수한 값을 나타냈다. 100ppm의 농도에서 15ml/min 유속으로 흡착시간을 3분으로 하여 MCDI 공정을 수행한 경우 염제거율은 100%였고 500ppm의 경우 염제거율이 91%로 측정되었다.

이 연구는 양이온 불균질막을 제조하기 위해 PVdF와 상용 양이온교환수지를 배합하여 제조하고 최적의 조건제시 및 기존 상용화막과 비교 평가하였다. 연구결과 불균질막이 기존의 상용화막보다 이온교환용량, 전기저항, 함수율 부분에서 높은 물성을 나타내기 위해서는 이온교환수지의 무게 비율을 40% 이상 첨가해야 한다는 것을 확인하였다. 인장강도가 상용화 막보다 높기 위해서는 이온교환수지의 무게 비율을 50% 이하로 첨가해야 한다는 것을 확인하였다. 따라서 화학적 특성과 기 계적 특성을 고려했을 때, PVdF와 이온교환분말의 최적 비율은 60 : 40이며, 이때의 전기저항 1.82 Ω⋅cm-1, 함수율 79%, 이 온교환용량 1.60 meq/g으로 측정되었고 기계적 강도는 0.97 MPa로 측정되었다. 이때, TDS 제거율은 약 40%로 측정되었다.

물/알코올 계의 투과증발 실험을 수행하기 위해 친수성 고분자인 Poly(vinyl alcohol) (PVA)에 가교제인 Sulfosuccinic acid (SSA)와 이온교환능력을 부여하기 위하여 첨가한 Poly(4-styrene sulfonic acid-co-maleic acid) (PSSA_MA)로 막을 제조하였다. 공급원액으로는 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올과 물을 각각 90 : 10 비율로 혼합하여 사용하였다. PVA10/SSA9/PSSA_MA90의 막 조건에서의 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올의 투과도는 각각 202.6, 47.8, 20.2 g/m2hr이었으며 메탄올 혼합액에서의 선택도가 가장 우수하게 나타났다. 또한 PVA10/SSA11/PSSA_MA80의 막 조건에서의 선택도는 각각 34.2, 291, 991로서 이소프로필알코올 혼합액에서 가장 좋은 결과를 나타내었다.

물/알코올 계의 투과증발 실험을 진행하기 위해 친수성 고분자인 Poly(vinyl alcohol)(PVA)에 가교제인 Sulfosuccinic acid(SSA)와 이온교환능력을 부여하기 위하여 첨가한 Poly(4-styrene sulfonic acid-co-maleic acid)(PSSA_MA)로 막을 제조하였다. 공급액으로는 Ethanol, Iso propyl alcohol(IPA), Methanol과 물을 각각 90:10 비율로 혼합하여 사용하였다. 투과증발실험은 60℃에서 진행되었으며 실험결과 SSA의 함량이 적을수록, PSSA_MA함량이 높을수록 투과도는 증가하는 경향을 보였다. 또한 IPA, Ethanol, Methanol 순으로 높은 투과도를 나타내었으며 선택도는 그 반대의 경향을 나타내었다.

이온교환막이 결합된 축전식 탈염공정(Membrane capacitive deionization, MCDI)을 진행하기 위하여 양이온고분자로는 Sulfonated PPO(Poly(2,6-dimethyl-1.4-phenyl oxide)를 사용하였으며 음이온고분자로써 Aminated Polysulfone을 제조하여 전극 표면에 직접 코팅하여 사용하였다. 코팅여부는 SEM 사진을 통하여 확인하였으며, 성능을 알아보기 위하여 흡/탈착실험을 진행하였다. 유속(15, 25, 30 ml./min), 흡착시간(2, 3, 5, 7 min), 유입수의 농도(100, 200, 300, 500ppm)를 변화시켰는데 그 결과 유속은 느릴수록, 흡착시간은 길어질수록, 유입수의 농도가 낮을수록 염 제거 효율이 높게 나타났다.