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.

본 연구에서는 막 축전식 탈이온 공정에 적용하기 위해 온도와 시간을 달리하여 술폰화 Poly(VDF-co-hexafluoropropylene) copolymers (PVDF-co-HFP)을 합성 후 캐스팅법에 의해 양이온교환막이 제조되었다. 술폰화 PVDF (SPVDF) 는 Fourier-transform infrared (FT-IR), 1H Nuclear magnetic resonance (1H NMR)를 통해 구조확인을 하였고, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)를 통해 화학조성에 대한 정량적 분석을 하였다. 막 성능은 함수율 및 이온교환용량과 전기 저항을 측정하였고. 60°C에서 7시간 술폰화한 SPVDF 멤브레인이 이온교환용량 0.89 meq/g, 함수율 21.5%, 전기저항 3.70 Ω ⋅cm2로 가장 우수하였다. 수중 이온제거 특성을 막 축전식 탈이온 방법(MCDI)으로 전압(0.9~1.5 V), 유속(10~40 mL/min)을 변수로 SPVDF의 탈염 특성을 확인하여 MCDI 공정에 적용가능 여부를 평가하였다. MCDI 충방전 시험 결과 최대 탈염제거 율은 62.5%이었다.

기존의 전기 탈이온 공정(EDI)은 전기투석법과 이온교환수지법을 혼합한 공정으로 알려져있다. 여기서의 모듈은 전기투석을 위한 양이온교환막과 음이온교환막이 있고 이 막 사이에 이온교환수지를 채워 넣는 형태로 제조된다. 이것을 기초로 요즘 전기 흡착 탈이온(EAD) 공정은 바이폴라막과 이온교환수지를 이용해서 모듈을 제조하고 있다. 그래서 모듈에 이용되는 양이온교환막으로 술폰화시킨 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 비교분석을 진행했다.

기존의 전기탈이온(EDI) 공정은 전기투석법과 이온교환수지법을 혼합한 공정이다. 모듈을 제조 하는데 있어 전기투석을 위한 양이온교환막과 음이온교환막이 있으며 그사이에 이온교환수지로 채워지는 형태이다. 이온교환수지의 균질한 크기 분포도 및 당량비 또한 장치의 성능을 결정하는 매우 중요한 인자이다. 이러한 점들을 바탕으로 현재 이온교환수지를 글라인딩하여 bipolar형태의 막으로 만든 electroadsorption-deionization(EAD) 공정 모듈이 생산되고 있다. 지금 생산되고 있는 모듈보다 성능을 더 높이기 위하여 이온교환능력을 가지며 바인더 역할을 할 수 있는 고무상의 고분자를 제조하였다.

다이아미노벤지딘(diaminobenzidine, DAB)과 이소프탈산(isophtalic acid, IPAc)으로부터 폴리벤지미다졸(PBI)을 합성한 후 이온교환기의 도입에 의해 양이온교환막을 제작하였다. 제조한 폴리벤지미다졸(PBI)의 FT-IR분석으로부터 시판의 PBI와 같은 피크를 보임을 확인하였다. 양이온교환기를 도입하지 않은 PBI 필름의 이온 전도도는 0.1~0.9×102 S/cm를 나타냈다. 이온교환기를 도입하여 제작한 SPBI 양이온교환막의 이온전도도는 3.7~4.7×102 S/cm을 보였고, Nafion117의 2.0×102 S/cm보다 높은 값을 보였다.

바나듐 레독스-흐름 전지 (V-RFB)용 격막으로 사용하기 위해 폴리설폰(psf)에 폴리페닐렌설파이드설폰(PPSS)을 블록 공중합 시킨 폴리머와 여기에 TPA (tungstophosphoric acid)를 첨가하여 양이온교환막을 제작하였다. 제작한 막은 1M H2SO4용액을 사용하여 막 저항을 평가하였다. 제작한 Psf-PPSS와 Psf-TPA-PPSS 양이온교환막의 막 저항은 약 0.94Ω·㎠를 나타냈다. 제작한 양이온교환막과 Nafion117을 격막으로 사용하여 V-RFB의 전기화학적 특성을 평가하였다. 4 A의 전류에서 측정한 V-RFB의 충 방전 셀 저항은 막의 종류에 따라 Nafion117 < Psf-TPA-PPSS < Psf-PPSS 의 순서로 값이 낮았다. 막을 5가 바나듐 수용액에 침적하여 침적시간 변화에 따른 V-RFB의 총 방전 셀 저항을 측정함으로써 내구성을 평가하였다. 내구성은 제작한 Psf-PPSS 막이 가장 우수하였으며, Nafion117막과 제작한 Psf-TPA-PPSS막이 서로 동등하였다.

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.

본 연구에서는 복막 투석 시스템에 있어서, 요소를 가수분해 후 발생하는 암모니아를 제거하기 위하여, 방사선 그라프트 중합법에 의해 다공성 중공사막에 술폰산기(SO3H)를 도입시킨 양이온 교환막(이때 얻어진 막을 SS막이라 함)을 합성하였다. 여기에 금속이온(Cu, Ni, Zn)을 이용하여 그라프트 체인을 가교시킨 이온가교형 양이온 교환막(이때 얻어진 막을 SS-M막이라 함)을 합성하여, SS막과 SS-M막의 투과 유속과 암모니아의 흡착에 대하여 고찰하였다. 술폰산기 밀도에 따라 순수투과 유속은 술폰산기 밀도가 높아짐에 따라 투과 유속이 급격히 감소하였으나, 금속 이온이 도입됨에 따라, 투과 유속이 빨라진다는 것을 알 수 있었다. SS막의 경우 암모니아 흡착은 이온교환기 용량에 따라 1 : 1로 흡착되었고, SS-M막 보다 높은 흡착량을 나타났다. 또한, SS막, SS-M막 모두 pH 9에서 가장 높은 흡착량을 나타냈다.

본 연구에서는 양이온교환막 표면에 형성된 바이폴라 계면이 물분해 현상에 미치는 영향을 조사하였다. 실험결과, 전기투석 중 막표면에 형성된 고정화된 바이폴라 계면이 심각한 물분해를 유발함을 알 수 있었다. 특히, 고정화된 바이폴라 계면은 다가 양이온이 전해질로 이용되는 전기투석 시스템에서 양이온교환막 표면에 쉽게 형성됨을 알 수 있었다. 낮은 용해도적 상수를 갖는 다가 양이온들은 급격한 물분해를 유발하였는데 이는 이들이 막표면에서 쉽게 수산화물의 형태로 침적되며 따라서 수소-친화 그룹과 수산화-친화 그룹으로 구성된 바이폴라 계면이 막-용액 계면에 형성됨을 알 수 있었다. 따라서 물분해는 막 표면의 금속수산화물 층과 막의 고정전하 그룹간에 발생되는 강한 전기장에 의해 크게 활성화됨을 알수 있다. 또한 이와 유사하게 분자량이 큰 유기 상대이온들이 막표면에 누적되는 경우에도 고정화된 바이폴라 계면이 형성되어 한계전류밀도 이상에서 심각한 물분해를 유발하였다. 따라서 전기투석의 고전류 운전시 효율 향상을 위해서는 막표면에 유발되는 고정화된 바이폴라 계면의 형성을 억제하는 것이 매우 중요함을 알 수 있다.

양이온만을 선택적으로 투과하는 양이온교환막의 응용분양에는 electrodialysis, deffusion dialysis, reverse osmosis, membrane electrolysis, membrance fuel cell 등이 있다. 현재 사용화된 양이온교환막들은 좋은 성능과 안정성을 가지고 있지만 가격이 너무 비싸고 일부응용분야에 최적화 되지 않은 문제를 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 많은 연구가들은 저렴하고 생산이 용이하며 각 응용분야에 적용 가능한 여러 가지 양이온교환막의 소재에 대한 연구를 진행하여 왔다. 그 소재들의 소개와 이를 이용한 양이온교환막의 성능과 특성에 대하여 기술하였다.

In consideration that a high tensile strength and ion exchange capacity are maintained as the swℓing of membrane is controlled by the coagulation of PSf with the introduction of ion exchange groups and PPSS without the introduction of ion exchange groups, the block copolymer of PSf and PPSS were synthesized. The cation exchange membrane was prepared by sulfonation with CSA and casted. The synthesized block copolymer and cation exchange membrane were characterized by FT-IR and their thermal stability was confirmed by TGA. The optimum sulfonation could be accomplished at a mole ratio of BPSf to CSA 1:3. The best electrochemical properties obtained by the optimal condition were area resistance of 4.37 Ωㆍtextrmcm2, ion exchange capacity of 1.71 meq/g dry membrane, water content of 0.2941 g H2O/g dry membrane, and fixed ion concentration of 5.81 meq/g H2O. When GBL was used as an additive, area resistance was increased by 13.7 % and ion exchange capacity was increased by 14.6%. When the membrane was fabricated in a form of composite using non woven cloth as a support. the tensile strength of membrane could be improved, but the electrochemical characteristics were not influenced.

Functionalized organic polymers have been used as supports for heterogenized homogeneous catalytic process[1]. Sprcific advantages of using these resins as support reagents have been reviewed[2-4]. These include: -ease of by-product separation from the main reaction product usuallyby simple filtration. -prevention of intermolecular reaction of reactive species or functional groups by simulating high dilution conditions[5]. -utility of the "fish-hook" principle in which a minor component in fished out of a large excess substrate by the insoluble polymer[6]. -the possibility of reusing recovered reagents as well as eliminating the use of volatile or noxious substances[7]. Catalysis by ion-exchange membranes is perhaps one of the latest examples of the use of a polymer-supported species. Conceptually, catalysts on membrane supports offer several possible advantages over traditional powder type systems. They are: (1) Membranes immobilize the catalyst, preventing agglomeration. (2) Filtration is unnecessary for the catalyst separation and so complete catalyst recovery is facilitated. (3) Catalytyic and separation processes can be combined, allowing membrane supported catalysts for the continous flow reactors. reactors.