최근 수자원 부족의 문제에 대한 탈출구를 찾기 위해 해수담수화 공정이 지속적인 연구가 이루어지고 있다. 그 중 전기흡착탈이온(EAD) 공정은 이온교환막을 이용한 전기투석법과 이온교환수지를 이용한 이온교환수지법을 혼합하여 이루어지는 공정으로 현재 사용되고 있는 해수담수화 공정의 효율을 더 높이 올려줄 것이라 예상하고 있다. 하지만, 이 공정은 이온교환막 사이에 이온교환수지가 있는 구조이기 때문에 기존 모듈보다 비교적 사이즈가 크다는 단점이 있다. 또한, 이온교환수지의 크기 분포와 당량비가 모듈의 성능에 영향을 준다. 본 연구는 현재 상용화되고 있는 이온교환공정에서 쓰이고 있는 모듈의 문제해결과 성능 향상을 위해 진행되었다. 개질을 통해 이온교환용량을 더욱 향상시키고 일반적인 이온교환수지가 아닌 더 작고 균질한 이온교환능력을 가진 이온교환 나노입자를 제조하여 제막을 진행하였고, 다양한 특성평가가 이루어졌다.

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.

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.

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.

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.

현재 사용되는 전기탈이온(EDI)공정은 전기투석법과 이온교환수지법을 혼합한 공정이다. 이 공정은 전기투석을 위한 양/음이온교환막이 사용되고 두 막 사이 에 이온교환수지로 채워서 모듈을 제작한다. 전기탈이온공정은 농축수가 강한 산성과 염기성이기 때문에 전극의 손상과 같은 문제점을 초래한다. 이러한 문제 점을 해결하기 위해서 전기흡착탈이온(EAD)공정을 사용한다. 전기흡착탈이온공 정은 반대 전하 이온을 흡착시켜 제거하고 역전을 통해서 탈착시켜 이온교환기 를 재생시키는데, 이 때 재생시간이 필요하다. 따라서, 이온교환막을 Bipolar막으 로 제조하여 해결할 수 있고, 전기탈이온공정과 공통적으로 모듈을 작게 만들기 위해서 나노사이즈의 이온교환입자를 제조하여 별도의 처리과정 없이 성능을 구현하고자하였다. 본 연구는 현재 생산되고 있는 모듈보다 높은 이온교환능력 을 가지며 바인더 역할을 할 수 있는 고무상의 고분자를 합성하고 이온교환수 지대신 이온교환능을 가진 nano particle을 이용하여 복합막을 제조하였다.

본 연구는 양이온 불균질막을 제조하기 위해 PVDF matrix에 상용 양이온교환수지와 sulfonated poly(phenylene oxide)(SPPO)를 배합하여 제조, 이온 흡착 특성에 관하여 연구하였다. 연구결과 PVDF-IER 불균질막과 PVDF-SPPO 불균질 막 PVDF-SPPO-IER과 비교하였을 때 고분자 매트릭스의 비율이 30% 이하일 경우 이온교환용량, 전기저항에서 우수한 물성 을 가지고 있는 것을 확인할 수 있었다. 인장강도의 경우 PVDF resin의 약한 내구성에도 불구하고 상용화 불균질막과 비교하 여 최대 5배 이상의 강인한 모습을 보이고 있는 것으로 확인할 수 있었다. 따라서 화학적 특성과 기계적 특성을 고려했을 때 PVDF와 이온교환분말과 SPPO의 혼합 최적 비율은 30 : 70이며 이때의 전기저항은 3~5 Ω⋅cm2, 이온교환 용량은 0.6~1.0 meq/g으로 측정되었고 기계적 강도는 12~15 kgf/cm2으로 측정되었다.

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 제조 하였다.

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 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.

수용성 고분자인 poly(vinyl alcohol) (PVA)에 가교제인 sulfosuccinic acid (SSA)를 첨가하여 가교반응을 통해 물에 용해되지 않는 막을 제조하였으며, 이온교환능력을 부여하기 위해 poly(4-styrene sulfonic acid-co-maleic acid) (PSSA_MA)를 PVA 질량대비 70, 80, 90 wt%로 달리 첨가하여 막을 제조하였다. 제조한 막의 특성을 알아보기 위해 FT-IR, 함수율, 이온교환용량, 이온전도도, 메탄올 투과도를 측정하였다. 함수율과 이온교환용량, 이온전도도는 PSSA_MA 함량이 증가할수록 증가하는 경향을 나타내었으며 메탄올 투과도는 감소하는 경향을 나타내었다. 특성평가 결과 본 실험 막의 최적 조성은 PVA10/SSA9/ PSSA_MA80으로 도출되었다

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.

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.

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.

방사성 폐기물의 주요 성분 중 하나인 Cs의 자연에서 정출되는 제올라이트인 차바자이트 (chabazite)에 대한 흡착 특성을 알아보기 위해 XRD, EPMA, EC, pH, ICP 분석방법을 이용하여 동정 및 화학성분 분석을 하였다. 그리고 추가적으로 양이온 교환능력을 확인하였고 시간과 농도에 따른 Cs 흡착 및 타 양이온(Li+, Na+, K+, Rb+, Sr2+)에 대한 경쟁흡착 실험을 실시하였다. 본 연구에 사용된 차바자이트의 화학식은 Ca1.15Na0.99K1.20Mg0.01Ba0.16Al4.79Si7.21O24였고 Si/Al 비율과 양이온 교환능력은 각각 1.50와 238.1 meq/100 g으로 측정되었다. 시간과 농도에 따른 Cs 흡착 등온 실험결과를 흡착 반 응 속도 모델과 등온 흡착 모델에 적용해본 결과 각각 유사 2차 반응과 Freundlich 모델에 부합하였으 므로 고체 표면에 흡착 물질이 2개 이상의 다중 흡착 층을 이루는 것을 알 수 있으며 모델로부터 유 도되는 상수 값을 통해 차바자이트의 Cs 흡착 능력정도를 평가하였다. 경쟁 흡착 실험 결과 이온의 종류에 따라 이온 교환되어 차바자이트 내에 존재하는 Cs의 몰 분율에서 차이를 보였다. 각 양이온과 세슘과의 액체에서 고체 내로 흡착되는 경쟁 경향이 Na+, Li+, Sr2+, K+ 그리고 Rb+ 순으로 선택성이 있었으며 이는 수화 직경의 순서와 유사한 양상을 보였다. Kielland 도시법을 이용하여 Cs과 타 양이 온의 교환 평형관계를 도시해 보았을 때에는 Sr2+가 가장 선택성이 높았으며 그 다음으로 Na+, Li+, K+, Rb+ 순으로 선택성이 나타났고 모든 타 양이온에 대하여 양의 값을 나타내었다. Kielland 도시법 에서 나타나는 평형상수 값의 순서는 열역학 및 반응 속도론적인 의미를 내포하고 있으므로 수용액에 서 공극 내로 들어가는 Cs은 Sr2+과의 공존 시 선호도가 높다는 것을 알 수 있다. 이는 경쟁하고 있는 수화된 양이온 간의 직경 차이가 원인일 것으로 추측된다. 본 연구 결과는 차바자이트가 높은 Cs 친 화력을 가지는 것을 보여줌으로써 방사성 물질로 오염된 물에서 Cs을 선택적으로 교환할 수 있음을 보여주고 있다.

국내산 벤토나이트들의 광물조성 및 특징과 양이온 교환특성과의 연계성을 규명하기 위해서, 정제나 분리 과정 없이 원광 단위로 XRD 정량분석, 화학적 용출실험, pH 및 양이온 교환능력 (CEC) 측정 등을 시행하였다. 리트벨트법에 의한 XRD 정량분석 결과, 국내산 벤토나이트들은 몬모릴로나이트(30～75 wt%) 외에 주요 불순물로서 제올라이트, 단백석, 장석류가 대개 25 wt% 이상 함유하는 것으로 밝혀졌다. 클리놉틸로라이트-휼란다이트 계열의 조성을 이루는 것으로 감정된 이 제올라이트들은 제올라이트질 벤토나이트의 양이온 교환특성에 심대한 영향을 미친다. 클리놉틸로라이트는 상대적으로 규질이며 밝은 색을 띠는 벤토나이트에서 흔히 볼 수 있고 단백석과 밀접한 공생관계를 이루며 산출되는 것이 특징이다. 대부분 Ca이 주된 교환성 양이온을 이루지만, 일부 제올라이트질 벤토나이트에서는 알칼리 이온의 함유도가 매우 높게 나타나기도 한다. 메칠렌블루법에 의해 측정된 CEC 값은 다소 산포되기는 하지만 몬모릴로나이트의 함량과 대체로 정비례하는 관계를 보이고 상대적으로 낮은 수준을 보인다. 이에 비해서 암모늄아세테이트법에 의해서 측정된 ‘Total CEC’ 값은 비교적 높은 수준(50～l15meq/100 g)을 보인다 이 같은 CEC 값의 차이는 특히 제올라이트질 벤토나이트에서 보다 크게 나타나고, 이는 제올라이트에 의한 CEC 증대효과로 간주된다. 단백석이나 장석류들은 벤토나이트의 양이온 치환능력에 별다른 영향을 미치지 않는 것으로 나타난다. 벤토나이트 현탁액의 pH는 교환성 양이온들 중에서 알칼리 성분 함유도, 특히 Na의 함유수준이 증가됨에 따라 pH=9.3에 이를 정도로 증대되는 경향을 보인다. 그렇지만 경우에 따라서는 소위 ‘산성백토’로 취급될 수 있을 정도로 낮은 pH(5～6) 값을 갖는 벤토나이트들도 있다. 이는 일부 국내산 벤토나이트들이 몬모릴로나이트의 층간 양이온으로서 H＋ 을 일부 함유하고 있기 때문인 것으로 여겨진다. 궁극적으로 이 연구결과는 벤토나이트의 품위 산정에는 XRD 정량분석법이 적용되는 것이 합리적이고 CEC와 관련된 품질 특성은 전적으로 ‘Total CEC’ 개념에 의거하여 평가되어야 한다는 것을 시사한다.