수소는 산업용 전력생산, 자동차용 연료 등을 위한 대체가능한 에너지 담체로 인식되고 있다. 미래 저탄소 에너지 시스템에서 에너지 저장은 전력 수요에 유연하지 않거나 간헐적인 공급의 균형을 이루기 위한 중추적인 역할을 담당할 수 있 을 것이다. 수소는 에너지 담체로서 전기에너지를 화학에너지로, 화학에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 에너지 저장 방 법 중의 하나이다. 수소제조 방법 중에서, 특히, 물의 전기분해를 이용한 방법은 신재생 에너지원과의 접목을 고려할 때 가장 효율적이고 실용적인 방법으로 여겨지고 있다. 물 전기분해 수소제조 기술은 전기를 이용하여 수소를 물로부터 직접 제조하 는 방법으로, 화석연료 이용 제조방법과 비교하여 수소를 제조할 때 지구환경 오염물질인 이산화탄소의 배출이 없다. 수소제 조 방법 중의 하나인 물 전기분해의 원리와 물 전기분해의 종류인 알칼리 수전해(AWE, alkaline water electrolysis), 고분자 전해질막 수전해(PEMWE, polymer electrolyte membrane water electrolysis), 고온 수증기 전기분해(HTSE, high temperature steam electrolysis)에 대하여 분석하고자 하였다. 물 전기분해는 수소제조 방법의 하나로 연구가 진행되고 있으며, 최근에는 PTG (power to gas)와 PTL (power to liquid) 시스템의 요소기술로도 주목을 받고 있다. 본 총설에서는 물 전기분해에 대한 원리와 종류, 특히 알칼리 수전해에 대한 최근 연구동향에 대해 설명하였다.

바나듐 레독스-흐름 전지 (V-RFB)는 대용량 전력저장 시스템의 하나로 연구가 많이 진행되고 있다. 특히 최근에 지구온난화의 해결을 위한 태양광, 풍력 발전 등 재생에너지에 의한 발전과 함께 이 전력 원들의 부하 평준화 및 전력 공급 원활화 등을 위한 전력 저장 시스템의 하나로 주목을 받고 있다. 본 총설에서는 V-RFB 에 대한 원리 및 구성, 최근 연구 동향, 경제성, 요소기술에 대해 설명하고자 한다.

IS (요오드-황)프로세스의 HI 분해반응 공정에서의 적용을 목적으로 지르코니아 코팅 지지체를 이용하여 CVD법에 의해 수소분리막을 제작하였으며, 분리막으로서의 가능성을 평가하였다. 제작한 막의 형상 및 Si의 분포를 파악하기 위해 SEM 및 EPMA를 이용하여 분석하였다. 지르코니아를 코팅한 지지체를 이용하여 제작한 막에 Zr-Si-O층이 존재한다는 것을 알 수 있었다. 제작한 막의 수소와 질소가스의 단일 성분 투과속도를 300~600℃에서 측정하였다. 600℃에서 Z-1막에서의 수소투과속도는 1 × 10 -7 mol·Pa -1·m -2·s -1를 나타냈다. 질소에 대한 수소의 선택성은 Z-1 막에서 5.0, Z-2막에서 5.75를 나타냈다.

HI몰랄리티가 9.5 mol/kg-H2O인 HI의 전해-전기투석을 시판의 양이온교환막(CMB)을 이용하여 요오드의 존재하에 실험을 진행하였다. 수소이온 투과의 선택성을 증가시키기 위해, 막은 전자선 가속기를 이용하여 방사선 처리하였다. 방사선 처리한 막의 막특성(막 저항, 이온교환용량, 함수율)을 측정하였다. 각각의 방사선량에서 처리한 막의 2 mol/dm3의 KCl 용액에서 막저항, 이온교환용량과 함수율은 처리하지 않은 막과 거의 동등의 값을 가졌다. HI몰랄리티가 9.5 mol/kg-H2O인 HI의 전해-전투기투석을 75℃, 9.6 A/dm2에서 진행하였다. 전자선 가속기에 의해 방사선 처리한 양이온교환막은 처리하지 않은 막과 비교하여 고분자의 가교구조와 함께 수소이온투과의 높은 선택성을 가졌다.

반도체 산업의 wafer 가공공정에서 발생하는 폐수를 재활용하고자 한외여과 공정을 이용한 막분리 공정의 도입 가능성을 검토하였다. Pilot 규모의 장치에 분획분자량이 각각 10,000, 20.000, 30,000인 한외여과막 모듈을 이용하여 투과유속 및 제거율 등을 측정하였다. 투과수의 성상은 SDI15, 탁도, 전기전도도, 실리콘 농도분석을 통해 공정수로 재이용이 가능함을 확인할 수 있었다. 투과유속 저하를 막기 위한 역세척 방법으로는 압축공기와 물은 sweeping 하는 방법이 가장 효과적이었고, 이때 투과유속의 회복율이 높게 나타났다. 분획분자량 30,000인 한외여과막에서 가장 높은 투과유속을 나타내었다. 또한 폐수의 평균 실리콘 입자 평균 함량은 3.8-5.6mg/ℓ이고, 투과수의 실리콘 입자 함량은 0.2μg/ℓ이하로 나타나 제거율은약 96%이상으로 나타났다.

본 연구에서는 Si 미립자를 함유한 반도체 세정폐수의 관형막을 이용한 한외여과특성을 검토하였다. 관형막의 시간변화에 따른 투과유속의 감소현상은 막표면에 형성된 케익층의 증가 및 기공막힘에 기인하며, cross flow는 케익여과에 의한 막오염 형태를 보였으나 dead-end flow는 기공막힘과 케익여과에 의한 혼합형태를 보였다. Cross Flow의 케익저항의 크기는 3.16times1012 ~4.34times1012 m-1 였고, dead-end flow 는 6.6 times1012 ~12.19times1012 m-1였다. 운전초기의 흐름형태에 따른 투과유속은 cross flow 가 dead-end flow 의 약 7 배였다. Cross flow 투과유속은 약 42 ell/m2 hr, 용질배제율은 약 96 % 였으며, 분리막공정을 거친 투과수 중의 Si 입자의 평균크기는 20nm였다

본 연구는 Si 미립자를 함유한 반도체 세정폐수의 평판막을 이용한 한외여과특성을 검토하였다. 평판막의 투과유속은 시간이 경과함에 따라 점차 감소하는 경향을 나타냈으며, 이현상은 막표면에 형성된 케익층의 증가 및 기공막힘에 기인한다. 흐름형태에 따른 투과유속은 cross flow가 dead-end flow의 약 1.4배 높았다. Si 미립자에 의한 막오염을 제거하는데는 역세법이 sweeping법 보다 우수하였다. 막오염으로 인한 투과유속의 감소는 질소가스로 역세척하여 초기투과유속의 약 85% 정도 회복되었다. 평판막을 이용한 cross flow 공정의 용질배제율은 약 90%였으며, 투과수증의 Si 미립자의 크기는 평균 70 nm였다.

금속이온 분리를 위한 운반체 지지형 (고분자/운반체) 복합막을 수면전개법에 의하여 제조하였다. 이들 막의 형상은 전개용액의 물성에 의하여 영향을 받는다. (고분자/18-crown-6) 복합용액의 표면장력은 18-crown-6의 농도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내며, 고분자에 따른 용액의 표면장력은 PVC>PS>CA 순서로 감소하였다. 점도는 18-crown-6의 농도가 증가함에 따라 PVC계와 PS계 용액은 큰 변화가 없으나 CA계 용액은 감소하는 경향을 나타내었다. 18-crown-6 환형고리분자는 고분자쇄 사이에서 전기적인 완충역할을 하여 고분자쇄간의 분자간력을 약화시켜줌으로써 복합 용액의 전개성을 증가시켰다. 복합박막의 표면형상은 단일박막보다 균일하였으며, 18-crown-6가 증가함에 따라 전후면은 모두 균일한 구조극 나타내었다.

우수한 분획특성을 가지는 친수성 고분자인 poly(acrylonitrile) [PAN]을 막소재로 하여 상전환법(phase inversion method)으로 복합막의 지지층으로 사용될 지지막을 제조하였으며, 한외여과 실험을 통하여 지지막의 특성인 순수 투과도와 분획분자량을 측정하였다. 이 지지막 표면에 poly(acrylic acid) [PAA]를 dip-coating 시켜 열처리한 복합막을 제막하고 에탄올 수용액의 투과증발 분리특성을 고찰하였다. PAN 지지막의 UF 특성은 순수의 투과유속이 0.17~31mm3/m2 · s · Pa , 분획분자량이 42,000~150,000의 막을 얻었다. 복합막의 투과유속과 분리계수는 지지막의 기공구조 변화에 상당한 영향을 받고 있음을 알 수 있으며, 지지층의 분획분자량의 증가에 따라 투과유속은 감소하였고 분리계수는 공급원액의 농도에 따라 약간의 변화를 보였다.

수면전개 혼합적층막의 기체투과계수는 PS의 혼합비율이 증가함에 따라, 분리계수는 PVC의 환합비율이 증가함에 따라 증가하였다. 기체투과기구는 PS의 혼합비율이 감소함에 따라 Poiseuile-Knudsen 모델에서 solution-diffusion모델로 전이하였다. 한편 혼합박막의 구조는 공기면측에 소수성의 PS가, 수면측에는 친수성인 PVC가 배향된 직렬혼합구조였으며, 기체투과거동은 series model을 따랐다