전기투석(ED)은 이온교환막을 통한 이온의 분리에서 중요한 과정이다. 해수담수화로 발생하는 염수 처리는 환경 적으로 큰 문제이며 막분리 기술을 통한 재활용 효율이 높다. 마찬가지로 알칼리는 가죽, 전기도금, 염색, 제련 등과 같은 여 러 화학 산업에서 생산된다. 폐기물의 고농도 알칼리는 부식성이 높고 화학적 산소 요구량(COD) 값이 높기 때문에 환경에 방출하기 전에 처리해야 합니다. 칼슘과 마그네슘의 농도는 염수의 거의 두 배이며 주요 환경 오염 물질인 이산화탄소의 흡 착에 완벽한 후보입니다. 수산화나트륨은 양극성 막 전기투석 공정으로 쉽게 생산되는 금속 탄산화 공정에 필수적입니다. 역 삼투압(RO), 나노여과(NF), 초여과(UF), ED 등 다양한 공정을 통해 회수가 가능하다. 본 검토에서는 알칼리 회수를 위한 이 온교환막에 의한 ED 공정에 대해 논의한다.

본 연구는 전기투석과 용매추출을 융합한 희유금속 회수 공정에서 분리막과 음이온교환막의 개질을 통해 유기상 과 수상에 대한 분리막의 낮은 젖음성 및 AEM을 통한 수소이온 투과로 인한 금속이온의 회수 효율 감소를 개선하였다. 구체 적으로, 분리막 표면 중 한면은 polydopamine (PDA) 통한 친수성 개질, 다른 면은 SiO2 또는 graphene oxide를 통한 친유성 개질을 함으로써 분리막의 젖음성을 개선하였다. 또한, 음이온교환막의 표면을 polyethyleneimine, PDA, poly(vinylidene fluoride) 등을 이용, 개질해 수분 흡수(Water uptake) 감소 및 기공구조 변화를 통해 수소이온 수송을 억제해 수소이온 투과를 억 제할 수 있다. 개질된 막 표면 형상과 화학적 특성 및 조성은 주사전자현미경과 푸리에변환 적외선 분광법을 통해 확인되었 고, 이를 구리 이온 회수 시스템에 적용해 향상된 추출 및 탈거 효율과 수소이온 수송 억제능을 확인하였다.

모든 인구 계층에 저렴한 비용으로 깨끗한 물의 수요를 충족시키는 것은 해결해야 할 세계적인 문제이다. 막 분 리 공정을 통한 해수 및 기수의 탈염은 효율이 높고 확립된 방법이다. 그러나 막 분리 공정은 막 오염, 제거된 오염물의 처리, 그리고 자본집약적 공정이라는 본질적인 문제가 있다. 전기투석은 전위차가 구동력인 막 기반 분리 공정이다. 전기투석막의 장점은 뛰어난 효율과 저렴한 운영 비용이다. 전기투석공정에서 사용되는 이온교환막은 장기간 효율을 잃지 않기 위해 내화 학성과 내열성, 그리고 기계적 안정성이 필요하다. 이 때, 전기투석막의 이온교환용량은 이온교환막의 전도도에 따라 크게 달 라진다. 본 리뷰에서는 이온 전도도과 안정성을 향상시키기 위한 양이온 교환막과 음이온 교환막의 개조를 중점적으로 논의 하였다.

본 연구에서는 다공성 폴리에틸렌 지지체를 기반으로 세 가지 가교제를 혼합 도입한 세공충진 이온교환막을 제조 하고 역 전기투석에서 멤브레인의 특성이 발전성능에 미치는 영향을 고찰하였다. 실험 결과, 분자 크기가 다른 가교제를 혼합 함으로써 이온교환막의 가교도 및 자유체적이 효과적으로 조절됨을 확인하였으며 상관 분석을 통해 멤브레인의 전기화학적 특성 및 이를 적용한 역 전기투석의 발전성능에 복합적인 영향을 미침을 알 수 있었다. 특히 세공충진 양이온 교환막은 최적 가교조건에서 상용막 대비 동등 이상의 발전 성능을 나타내었으며 음이온 교환막 또한 상용막에 근접하는 우수한 성능을 나 타내었다.

음식폐기물 산발효액 내 존재하는 유기산은 산업 원료로 가치가 있으나 분리 비용이 높은 문제점이 있다. 본 연구에서는 저에너지 유기산분리를 위해 전기투석공정에서 산발효액 내 유기산의 이동현상과 운전조건 (전압, 희석율, pH) 간의 상관관계를 연구하였다. 아세트산과 부틸산으로 주로 구성된 음식물 산발효액 원액 (COD 기준 유기산 67.3 %) 을 실험실 규모 전기투석기를 사용하여 분리전압을 5 V ~ 12 V로 변화시켰을 때, 분리전압 8 V에서 최대 유기산 회수율 (COD 기준 89.4 %, 순도 86.8 %) 을 보였으며, 이 때 분리에 사용된 에너지는 0.286 kWh/kg-COD of VFAs로 나타났다. 전기투석과정에서 분자량 차이에 따른 유기산 간의 이동현상 차이는 발견되지 않았다.

내열성이 우수한 polystyrene(PS)를 혈액투석용 분리막으로 사용하기 위해 생체적합성이 우수한 고분자를 블랜딩하여 나노파이버 혈액투석막을 제조하였다. 제조된 PS nanofiber mambrane은 직경(fiber meter), 표면특성, 기공크기 분석을 통해 혈액투석용 분리막으로 최적화하였다. PS nanofiber membrane을 음이온 및 친수성 고분자 용액으로 화학적 개질하여 혈액투석막의 효율을 향상시키고자 하였다. 개질 용액의 음이온기는 혈액 속 단백질 흡착을 저지시켜 내오염성을 향상시켰으며 친수성기는 혈액 속 과잉수분 및 염분을 제거하였다.

In this study, the effectiveness of electrodialysis in removing inorganic arsenic from groundwater was investigated. To evaluate the feasibility of the electrodialysis, operating parameters such as treatment time, feed concentration, applied voltage and superficial velocity were experimentally investigated on arsenic removal. The higher conductivity removal and arsenic removal efficiency were obtained by increasing applied voltages and operation time. An increase of salinity concentrations in arsenic polluted groundwater exerted no effects on the arsenic separation ratios. Arsenic polluted waters were successfully treated with stack voltages of 1.8 ~ 2.4 V/cell-pair to approximately 93.4% of arsenic removal. Increase flow rate in diluate cell gave positive effect to removal rate. However, increase of superficial velocity in the concentrated cell exerted no effects on either the conductivity reduction or on the separation efficiency. Hopefully, this paper will provide direction in selecting appropriate operating conditions of electrodialysis for arsenic removal.

생체적합성과 흡습 특성이 있는 polyamide6 (PA6)를 혈액투석용 분리막으로 사용하기 위해 16 wt% PA6 고분자 용액을 전기방사하여 제조하였다. 제조된 PA6 nanofiber membrane은 직경(fiber diameter), 표면특성, 기공의 크기 분석을 통해 혈액투석용 분리막으로 최적화하였다. PA6 nanofiber membrane는 제 올라이트가 첨가된 친수성 고분자 용액으로 개질하여 혈액 속 노폐물인 creatinine 흡착 제거용 분리막으로 사용하고, creatine의 흡착효과는 UV-visible 분석으로 확인하였다.

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.

설폰화된 Polyetheretherketone 양이온교환막과 TMA 함량에 따라 1:1부터 3:1까지 아민화된 Polysulfone 음이온교환막을 이용하여 바이폴라막을 제조하였다. HCl, NaOH, NaCl을 일정 유량 및 정전류의 조건하에서 순환시키면서 산과 염기의 농도변화를 측정하였다. HCl의 경우 7.1g/L에서 17.3g/L, NaOH는 7.7g/L에서 20.4g/L로 2∼3배 정도 농도가 증가하는 것을 보였다. 아민함량의 증가에 따라 산과 염기의 농도는 증가하는 경향을 나타냈지만, 정전류에 따른 전압은 2:1음이온교환막이 가장 안정된 수치를 나타냈다. 또한, 막의 저항을 줄이기 위해 양이온교환막 표면을 촉매처리하여 실험한 결과, 보다 감소한 전압 값을 관찰할 수 있었다.

바이폴라막을 이용한 전기투석공정은 의약산업, 음식산업 등과 같은 고부가 가치산업에 이용되어 왔으며, 용액으로부터 산 또는 염기를 생산하거나 회수할 수 있는 공정으로 많은 각광을 받아왔다. 전기투석공정은 경제적이며 친환경적인 시스템으로 이온교환공정, 추출공정, 흡착공정과 같은 타 공정과의 복합화가 가능하다. 따라서 본고에서는 이온교환막과 이를 이용한 잠재성을 가진 응용분야에 대하여 조사하였다.

본 연구에서는 지하수 내 질산성 질소 이온을 제거하기 위해 전기투석 공정에 적용가능한 음이온교환 복합막을 제조하였다. 막의 제조를 위해 기본 단량체로 vinyl benzylchloride (VBC)와 styrene (ST), 가교제로 divinylbenzene (DVB), 그리고 개시제 α,α-azobis(isobutyronitrile) (AIBN)으로 이루어진 단량체 용액에 구조적으로 단단한 fabric을 함침한 후 열중합 가교시켜 복합막을 생성한 다음 trimethylamine (TMA)과 acetone을 이용해 음이온 교환기(-N+(CH3)3)를 함유하는 복합막을 제조하였다. 제조한 아민화 완료된 poly(VBC-ST-DVB)/fabric 복합막들의 특성을 알아보고자 막의 함수율, 이온교환 용량(IEC) 및 전기저항을 아스톰사의 상용화 음이온교환막(AMX)과 비교 조사하였다. 그 결과 제조된 막들은 아스톰사의 AMX보다 높은 IEC와 낮은 전기저항 특성을 나타냈다. 또한 제조된 음이온막을 전기투석장치에 설치하여 NaNO3, MgSO4, NaF (각각 100 mg/L) 등의 이온제거 실험을 60분 수행한 결과 NaNO3뿐만 아니라 MgSO4, NaF 이온 등도 1 mg/L 이하까지 잘 제거되었음을 확인할 수 있었으며, 전기투석 15분 전후로 하여 이온전도도값의 변화가 거의 없는 것으로 보아 전기투석 특성을 실험한 결과 전기투석 약 15분 이내에 이온이 제거되었음을 확인할 수 있었다.

지하수나 폐수 등에 포함된 독성을 가진 음이온류나 양이온류 등의 유독물질을 경제적으로 처리하는데 탁월한 분리기능을 가진 것으로 알려진 전기투석공정에 사용하기 위해 음이온 교환 복합막을 제조하여 그 전기화학적인 특성을 조사하였다. 다양한 조성의 vinylbenzylchloride (VBC)와 divinylbenzene (DVB) 그리고 α,α-azobis(isobutyronitrile) (AIBN)으로 이루어진 단량체 용액에 다공성 지지체인 poly(ethylene) (PE)을 함침한 후 열중합 가교시켜 poly(VBC-DVB)/PE 복합막을 생성한 다음 trimethylamine(TMA)과 acetone을 이용해 음이온 교환기(-N + (CH3)3)를 함유하는 복합막을 제조하였다. 음이온 교환막 제조시 VBC/DVB의 비율과 TMA/Acetone의 비율에 따른 막의 함수율, 이온교환용량(IEC) 및 전기저항을 조사하였다. 그 결과 제조된 막들은 사용된 PE지지체의 얇은 막두께에 기인하여 아스톰사의 상용화 음이온 교환막(AMX)보다 높은 IEC와 낮은 전기저항 및 낮은 함수율 등을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 본 실험에서 제조된 복합막은 저렴한 제조비용과 우수한 전기화학적 특성으로 정수 및 폐수처리를 위한 전기투석공정에 충분히 적용될 수 있음을 알 수 있었다.

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.

전기투석 공정에서 이온교환막 표면에 형성되는 스케일 영향을 조사하기 위해 장기간 동안 운전되었다. 탈염공정 동안, Ca2+과 SO42- 이온의 농도는 농축실에서 연속적으로 증가하였으며 양이온교환막(Neosepta CMX)표면에 침전이 발생하였다. 초기 스케일 형성동안, 공정성능과 막 특성의 변화는 농축실 염농도 증가에 기인하여 일어나는 양이온교환막의 하계전류밀도가 감소하는 것을 제외하곤 미미하였다. 공정운전이 진행됨에 따라 양이온교환막의 한계전류밀도는 물의 해리 현상이 진행되어 300;A/m2까지 감소하였다. 막 오염은 농축실에서 양이온교환막 표면에 형성된 스케일과 물의 해리현상에 의해 유발된다는 결론을 얻었으며, 이러한 스케일 형성은 CaSO4의 용해도에 의해 예측 가능한 것을 알 수 있었다.

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.

이온교환막의 전압-전류곡선의 plateau length를 결정하는 변수를 다양한 NaCl 농도와 유속 하에서 연구하였다. 또한, 한계전류밀도 이상의 전류에서 전기투석공정 운전의 타당성을 검토하기 위해 다양한 전류밀도의 전원을 공급하면서 0.1 M NaCl 용액의 탈염실험을 실시하여 이온의 제거효율, 전류효율, 에너지소비량, 물 분해 현상을 측정하였다. NaCl 용액의 농도와 유속이 감소하면서 확산경계층의 두께도 함께 감소하였으며, 본 확산경계층의 두께는 plateau length와도 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났다. 탈염실험에서 측정된 이온 제거 효율 및 전류효율은 한계전류밀도 이상에서도 한계전류밀도 이하에서의 탈염실험과 크게 차이 나지 않은 것으로 보아 한계전류밀도 이상에서도 대부분의 전류는 이온교환막 표면의 물분해에 의한 것이 아니라 막을 통한 이온의 이동에 의한 것으로 사료된다. 한계전류밀도 이상에서의 탈염운전에 대한 에너지소비량은 plateau length의 영향으로 한계전류밀도 이하에서의 탈염운전 보다 다소 높지만, 한계전류밀도 이상에서는 전류밀도의 증가에도 에너지소비량이 증가하지 않았다. 이러한 결과들은 물분해 현상이 심각하게 일어나지 않는 한 한계전류밀도 이상에서도 매우 경제적으로 전기투석 공정을 운전찬 수 있다는 것을 제시해 주는 것이다.

바지락 자숙액을 효과적으로 탈염하기 위하여 전기투석기를 사용하여 자숙액의 농도, pH 및 부피에 대한 최적 탈염조건을 검토하였다. 탈염에 필요한 이온교환막은 당과 단백질의 유실량이 적은 분자량 100 Da이상을 회수할 수 있는 AC-110-400을 선정하였으며, 자숙액 농도 0.5％와 4％의 탈염시간은 각각 100분과 170분에서 90％이상 염을 제거할 수 있었다. 자숙액의 pH에 대한 효과는 pH 9.0의 알칼리영역에서 보다 pH 4.0의 산성영역에서 탈염율이 더 높았으며, 투과액의 부피는 탈염시간과 탈염율에 거의 영향을 주지 않았다. 자숙액의 탈염은 주로 자숙액의 농도와 pH에 의해 크게 영향을 받았으며, 2％ 자숙액 1 L, pH 5.75에서 효율적인 탈염이 가능하였다.