연속식 전기탈이온(continuous electrodeionization, CEDI)은 고순도수(high purity water, HPW)를 제조하기 위한 핵심적인 수처리 기술이다. 본 연구에서는 CEDI 성능 향상을 위해 이온교환수지 층의 구성과 이온교환막의 특성이 미치는 영향을 고찰하였다. 먼저, 다양한 이온교환수지 층 구성(mixed-bed, layered-bed, separated-bed)을 비교한 결과, mixed-bed 구 조가 가장 높은 염 제거율과 낮은 에너지 소비를 나타내었다. 이어서 이온교환수지 조성의 영향을 평가하기 위해 chromatography 수지와 gel 수지의 부피비율(C:G) 및 음이온/양이온 수지 비율(A:C)을 조절한 실험을 수행하였다. 그 결과, C:G = 25:75 및 A:C = 5:5 조건에서 가장 우수한 탈염 성능을 나타냈으며, 이는 적절한 공극 구조와 이온교환기 함량 간 균형을 통 해 물 분해 반응 및 이온 전달이 최적화된 결과로 해석된다. 또한, 두 종류의 상용 불균질 이온교환막(Lanxess 막과 금화정수 막)을 비교한 결과, 금화정수 막이 Lanxess 막보다 더 높은 이온전도도, 이온교환용량, 투과선택성을 나타내었고, 이에 따라 더 높은 탈염 효율과 낮은 에너지 소비를 나타내었다. 본 연구의 결과는 고효율 CEDI 시스템 설계를 위한 이온교환수지 층 조성 및 멤브레인 특성의 최적화 방향을 보여준다.

Multivalent ions in natural aqueous solutions—such as seawater, brackish water, and freshwater—can negatively affect the performance of ion exchange membranes (IEMs) used in electrochemical energy and environmental devices. In this study, a pore-filling cation exchange membrane (CEM) permeable to multivalent ions was fabricated to minimize performance degradation caused by such ions. To achieve this, multilayer pore-filling CEMs were prepared by performing two impregnation processes using monomer electrolyte solutions of different compositions (varying deionized water content and monomerto- crosslinker ratios). As a result, a highly crosslinked electrolyte polymer formed on the internal side of the CEM, while a low-crosslinked polymer formed on the external side. Due to the presence of the low-crosslinked outer polymer layer, the multilayer pore-filling CEM exhibited a smaller increase in resistance caused by Mg2+ ions. Furthermore, based on the correlation between permselectivity and resistance measured in a 0.45 M NaCl + 0.05 M MgCl2 solution, which simulated the Mg2+ concentration in seawater, an optimal structure of multilayer pore-filling CEM was identified, and it exhibited a minimized increase in resistance and a permselectivity of over 90 %.

본 연구에서는 Na2SO4 폐수 처리를 위한 바이폴라막 전기투석(bipolar membrane electrodialysis, BPED)에 적용하 기 위한 sulfonated poly(phenylence oxide) (SPPO) 기반 강화 양이온교환막(cation-exchange membrane, CEM)을 제조하고 그 성능을 평가하였다. 특히, 다양한 open area, opening size, 두께를 가지는 직조형 지지체를 사용하여, 지지체가 강화막의 물리 적 및 전기화학적 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 실험 결과, open area와 opening size가 증가할수록 이오노머의 충진율 이 증가하고 이온 전도 경로가 개선되어 막의 전기적 저항이 감소하고 함수율은 증가하는 경향성을 나타내었다. 한편, OH- 이온은 함수율이 높은 조건에서 막을 통해 더 쉽게 투과하였으며, SO4 2‒ 이온은 지지체의 특성과는 상관없이 전반적으로 낮 은 투과도를 나타내었다. 또한 제조막의 특성과 산/알칼리 조건에서의 내화학성을 종합적으로 고려한 결과, polypropylene (PP)이 가장 적합한 보강재 소재로 판단되었으며, 이를 활용하여 제조한 강화막은 상용막 대비 우수한 인장강도와 구조적 안 정성을 나타내었다. 개발된 강화 CEM을 BPED에 적용한 결과, 상용막 대비 막을 통한 SO4 2‒ 누출이 현저히 억제되어 산/염 기 순도, 전류 효율, 및 에너지 효율이 향상됨을 확인할 수 있었다.