물/알코올 계의 투과증발 실험을 수행하기 위해 친수성 고분자인 Poly(vinyl alcohol) (PVA)에 가교제인 Sulfosuccinic acid (SSA)와 이온교환능력을 부여하기 위하여 첨가한 Poly(4-styrene sulfonic acid-co-maleic acid) (PSSA_MA)로 막을 제조하였다. 공급원액으로는 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올과 물을 각각 90 : 10 비율로 혼합하여 사용하였다. PVA10/SSA9/PSSA_MA90의 막 조건에서의 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올의 투과도는 각각 202.6, 47.8, 20.2 g/m2hr이었으며 메탄올 혼합액에서의 선택도가 가장 우수하게 나타났다. 또한 PVA10/SSA11/PSSA_MA80의 막 조건에서의 선택도는 각각 34.2, 291, 991로서 이소프로필알코올 혼합액에서 가장 좋은 결과를 나타내었다.

물/알코올 계의 투과증발 실험을 진행하기 위해 친수성 고분자인 Poly(vinyl alcohol)(PVA)에 가교제인 Sulfosuccinic acid(SSA)와 이온교환능력을 부여하기 위하여 첨가한 Poly(4-styrene sulfonic acid-co-maleic acid)(PSSA_MA)로 막을 제조하였다. 공급액으로는 Ethanol, Iso propyl alcohol(IPA), Methanol과 물을 각각 90:10 비율로 혼합하여 사용하였다. 투과증발실험은 60℃에서 진행되었으며 실험결과 SSA의 함량이 적을수록, PSSA_MA함량이 높을수록 투과도는 증가하는 경향을 보였다. 또한 IPA, Ethanol, Methanol 순으로 높은 투과도를 나타내었으며 선택도는 그 반대의 경향을 나타내었다.

이온교환막은 전기투석, 연료전지 외에도 수처리 공정에 있어 관심도가 매우 높다. 본 연구에서는 이온교환막에 사용되는 이온교환수지를 대신할 물질로써 입자를 제조하였다. 나노단위의 입자가 표면적을 증가시켜 기존의 이온교환수지보다 더 높은 이온교환능이 기대된다. 단분산된 나노크기의 입자를 제조하여 양이온은 -NH3+,-NR3+,-PR3+,-SR2+등의 관능기를 그리고 음이온은 -SO3-,-COO-,-PO3-,-C6H4O-등의 관능기를 도입함으로써 각각 양전하와 음전하로 높게 하전시킬 수 있다. 입자를 제조하고 이에 따른 제타전위를 측정하고 IEC, FT-SEM, TGA 및 FT-IR을 측정하여 특성을 파악하였다.

본 연구에서는 이온교환막을 이용한 전기화학적 수처리 공정의 효율을 향상시키기 위해 낮은 전기적 저항, 높은이온선택 투과성, 및 농도분극 조건에서 낮은 물분해 플럭스 특성을 갖는 새로운 세공충진 음이온 교환막을 개발하였다. 다공성 폴리올레핀 기재에 이온교환능이 우수한 4급 암모늄기를 포함한 공중합 고분자를 충진하여 상용막 이상의 성능을 갖는 기저 멤브레인을 제조하였다. 또한 기저 막 표면에 이미다졸륨 고분자를 코팅하여 전기화학적 성능을 유지하며 동시에 물분해플럭스를 효과적으로 제어할 수 있음을 확인하였다. 제조된 세공충진 음이온 교환막은 상용막 대비 약 1/6∼1/8 수준의 매우낮은 전기적 저항을 나타내었으며 동시에 농도분극 조건에서 양이온 교환막 수준의 낮은 물분해 플럭스를 나타내었다

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

다공성 전극표면에 이온교환고분자를 직접 casting하여 만들어진 복합탄소전극의 성능을 알아보기 위해서 NaCl 수용액을 이용하여 흡착시간, 공급액 농도, 유속, 탈착전압에 따라 흡/탈착실험을 진행하였다. 유입수가 100 mg/L일 때 동일 조건에서 흡착시간이 3분에서 5분으로 증가하면서 제거율이 3% 증가하였는데 이는 유입수의 셀 내부 잔류시간의 증가로 인 한 것으로 사료되며 또한 유속이 15 mL/min에서 23 mL/min 증가하면서 효율이 12% 정도 낮음을 보인 것은 유속이 상승하 면서 유입수의 셀 내부 잔류시간이 짧아지면서 나타나는 영향으로 사료된다. 유입수의 농도를 200 mg/L로 증가하였을 때 효 율은 100 mg/L보다 10~15% 정도 낮은 값을 보였는데, 이는 탈착구간에서 완전탈착이 되지 않아 나타나는 것으로 판단된다.

알칼리 수전해용 격막으로 사용하기 위해 음이온교환막을 제작하였다. 음이온교환막은 PVC (polyvinyl chloride)를 출발물질로 하여 클로로메틸화 및 아민화에 의해 제작하였다. 제작한 막은 막 특성(막 저항, 이온교환용량)을 평가하였다.제작한 음이온교환막의 1M NaOH수용액에서의 최저 막 저항은 2.9 Ω·cm2를 나타냈다. 이 막은 2.17 meq./g-dry-membrane의 이온교환용량과 43.4%의 함수율을 보였다. 제작한 음이온교환막의 막 특성을 시판의 막 특성과 비교 평가하였다. 1M NaOH수용액에서의 막 저항은 AHT>IOMAC>Homemade membrane>AHA>APS=AFN의 순으로 저항 값이 높았다. 이온교환용량은 Homemade membrane>AFN>APS>AHT>AHA>IOMAC의 순으로 높은 값을 가졌다.

바나듐 흐름전지는 오랜 사이클 수명, 높은 에너지효율, 낮은 제조단가 그리고 친환경성으로 인하여 에너지저장장치의 한 부분이 될 것으로 기대되고 있다. 바나듐 흐름전지 시스템의 핵심 부품의 하나로서 이온교환막은 이온이 계속적으로 전달되는 동안 양극과 음극 전해질의 투과를 저해하는 물성이 요구된다. 그러나 Nafion과 같은 이온교환막은 넓은 시장성의 확보를 위한 목표성능의 달성을 위한 몇가지 과제들에 직면하고 있다. 그러므로 이러한 문제들을 해결하기 위하여 최근까지 개발된 여러가지 이온교환막에 대하여 Nafion과 비교하여 바나듐 흐름전지특성에 대하여 조사하였다.

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 연구는 고내구성을 가진 고분자 전해질 막을 제조하는 것으로 연료전지에 적용하기 위하여 poly(vinyl alcohol)를 주쇄부로 하여 poly(styrene sulfonic acid-co-maleic acid) (PSSA-MA)와 3-(trihydroxysilyl)-1-propanesulfonic acid (THS-PSA)를 polyethylene막에 함침시켜 막을 제조하였다. 제조된 막을 함수율, 접촉각, FT-IR, 수소이온전도도, 탄성계수 등의 측정을 통해 친수성 고분자가 함침된 막의 특성평가를 실시하였다. FT-IR 분석과 접촉각 측정을 통해 PE막에 함친된 막에서 친수성기의 유무를 확인하였다. 수소이온전도도를 측정한 결과 30% THS-PSA의 막이 55℃에서 1.27×10 ­1S/㎝의 값을 나타내어 우수한 수소이온전도도를 나타내었으며, 탄성계수의 측정을 통해 polyethylene막에 비하여 THS-PSA가 함침된 막의 기계적 강도가 15%까지는 최대 7배까지 향상되어 막의 내구성이 향상되었음을 확인하였다.

기질 고분자인 sulfonated PEEK (sPEEK)와 가교제(cross-linking reagent) 4,4'-ethyldianiline (EdAn), 그래프트제(grafting reagent) 2-phenylethylamine (PEA)을 용매 dimethylacetamide (DMAc)에 녹여 용매증발법을 이용하여 제막하였다. 이민화 반응(imination)과 술폰화(sulfonation) 과정을 거쳐 최종 이온교환막인 cross-linked and grafted sPEEK (CG-sPEEK)막을 제조하였다. FT-IR 분석을 통해 술폰화 및 이민화 반응여부를 확인할 수 있었다. Proton conductivity와 water uptake, volume change를 측정하여 상용화된 Nafion115와 비교함으로써 이온교환막으로서의 활용가능성을 평가하였다. 제조된 CG-sPEEK막의 proton conductivity (0.17 S/cm) 값이 Nafion115 (0.10 S/cm) 보다 우수하게 나타나 이온교환막으로서의 적용가능성을 보여주었다. 다만 높은 water uptake (130%)는 CG-sPEEK의 치수안정성을 위해서 저감시킬 필요가 있다.

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.

본 연구에서는 다공성 polyethylene (PE) 이차전지용 격리막에 poly(ethylenimine) (PEI)을 함침시켜 isophthaloyl dichloride (IPC)을 이용한 가교반응 통하여 음이온교환막을 제조하였다. 제조된 막의 특성화를 평가하기 위하여 함수율, 접촉각, FT-IR, 이온교환용량, 이온전도도 등을 측정하였다. PEI와 IPC의 반응은 아민과 -COCl기와의 반응으로 아마이드기가 생성된다. 이온교환용량의 경우 30초 반응에서 1.96 meq./g dry membrane부터 600초 반응으로 인한 1.14 meq./g dry membrane까지 감소하는 경향을 나타내었고, 이온전도도의 경우 IPC와의 가교시간이 30초일 때 9.15×10-2S/㎝의 높은 값을 나타냄을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 음이온교환막 개발에 관한 것으로 poly(ethylenimine) (PEI) / poly(vinyl alcohol) (PVA)의 혼합비율에 따라 막을 제조하였다. 제조된 막의 특성화를 평가하기 위하여 함수율, 접촉각, FT-IR, 이온교환용량, 이온전도도, 열 중량분석, 탄성계수 측정을 실시하였다. 이온전도도 측정 결과 PVA/PEI의 함량이 90 : 10으로 제조된 막의 경우 5.16 × 10 -2 S/cm의 값을 나타내어 우수한 음이온전도도를 나타내었으며 접촉각 측정 결과 PEI의 함량이 증가함에 따라 막표면의 소수성이 78.3℃까지 함께 증가하는 결과를 나타내었다. 또한 열에 대한 안정성은 PVA의 우수한 성질을 변화시키지 않았으며 탄성계수 측정을 통해 고강도 기계적 물성을 확인할 수 있었다.

기존 고분자전해질연료전지(PEMFC)의 단점을 극복하기 위해 고체전해질 알카라인연료전지(SAMFC)가 근래에 많이 연구되고 있다. 본 논문에서는 술폰화 폴리벤지이미다졸(PBI) 유도체를 이용하여 SAMFC용 막을 제조하였다. 술폰화 폴리벤지이미다졸 유도체는 KOH에 의해 쉽게 도핑되고 도핑된 막은 높은 OH-의 전도도와 기계적 강도를 보였다. 특히 sPBI-co-PBI (술폰화 PBI : 비술폰화 PBI = 75 : 25)의 경우, 90℃ 100% 상대습도 하에서 2.98 × 10 -2 S/cm의 높은 OH-의 전도도를 보였다.

본 연구의 목적은 중금속 흡착을 위한 방사선 그라프트 중합법에 의한 이온교환막의 성능 향상을 위한 것이다. 그라프트 체인의 이온교환기에 의해 체인이 막의 pore를 방해하여 투과유속이 크게 저하되는 문제를 해결하고자 그라프트 체인과 체인사이를 N-ethyleneglycoldimethacrylate계 가교제를 첨가하여 투과유속이 저하되는 문제를 해결하고자 했다. 이때 사용된 가교제는 길이가 서로 다른 ethylene glycol dimethacrylate (EDMA)와 diethylene glycol dimethacrylate (DDMA)를 사용하였다. GMA 막에 가교제가 첨가된 이온교환막에 술폰산기를 첨가한 막을 이용하여 중금속 이온(Pb2+) 흡착을 하였다. 술폰산기 밀도가 1.40 mmol/g인 EDMA막은 13.82 mg/g을 흡착하였고, 술폰산기 밀도가 2.14 mmol/g인 DDMA막은 17.37 mg/g의 흡착량을 보였다.

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 연구는 poly(vinyl alcohol) (PVA)와 가교제 poly(strene sulfonic acid-co-maleic acid) (PSSA-MA)을 이용하여 제조된 막을 물/에탄올 계에 대한 투과증발 실험을 25, 35 및 45℃ 수식 이미지에서 수행하였다. 가교제의 함량은 7, 9, 11 wt.%를 사용하였으며, 원액의 조성은 무게비로 물 50, 20, 10 및 공비점인 4.4%에 대하여 조사하였다. 일반적인 투과증발 결과와 마찬가지로 가교제 함량의 증가 및 조업온도 증가에 따라 투과도 및 선택도에 대한 대표적 경향을 보여 주었다. 물 : 에탄올 = 10 : 90 조성에서 그리고 45℃ 수식 이미지에서 선택도 12003와 투과도 58.92g/m2·hr 수식 이미지를 PSSA-MA 11 wt%의 막이 보여 주었다.

연구에서는 비대칭 polyvinylidene fluoride (PVDF)막을 기질막으로 하여 Pore-filled 이온교환막을 제조하였다. 먼저 다공성 PVDF막의 기공에 80%의 chloromethylate aryl ring을 가지고 있는 poly(vinylbenzyl chloride) (PVBCI)과 1,4- diaminobicyclo［2,2,2］octane (DABCO)을 tetrahydrofuran (THF)와 dimethylforamide (DMF)가 8:2로 혼합된 용액에 녹여서 채워 넣고 겔화시킨 후, 남아 있는 chloromethyl group에 trirnethylamine (TMA, 40 wt% in water)을 이용하여 양이온 암모니움 site를 형성시키면 pore-filled 음이온교환막이 형성된다. 이와 같이 2단계의 제조 방식으로 제조된 pore-filled 막은 크기의 변화가 없으며, 가교도의 조절로써 최종 막의 특성이 간단하게 조절되는 것을 보여주었다. SEM과 AFM의 표면촬영의 결과로부터 기질막의 기공 내에 고분자겔의 존재를 확인하였다. 투과도와 배제율에 많은 영향을 미치는 용매를 조사한 결과 tetrahydrofuran (THF)만을 사용하여 제조한 막보다 THF와 DMF를 함께 사용할 때 더 우수한 막이 제조되었다. 제조된 최종 막의 수투과도 조사결과, 가교도 10% 막의 경우 아주 낮은 압력에서(100 Kpa) 전형적인 한외여과막의 투과도(8∼10 kg/m2hr)를 보여주었으며 배제율 또한 우수한 결과(55∼60%)를 보여주었다. 압력에 대한 pore-filled 이온교환막의 성능을 관찰한 결과 압력이 증가할수록 투과도와 배제율은 함께 증가하였다.

본 연구는 직접메탄을 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)에 적용가능한 양이온교환막 개발에 관한 것으로 poly(vinyl alcohol) (PVA)에 가교제로 poly(acrylic acid-co-maleic acid) (PAM)와 hydroquinonesulfonic acid (HQSA)를 이용하여 가교제의 함량을 변화시키면서 막을 제조하였다. 제조한 막은 가교제의 함량 변화에 따라 메탄을 투과도, 이온전도도를 측정하였으며 기본적인 이온교환막의 특성인 함수율, 이온교환용량 그리고 고정이온농도 등을 측정하였다. PAM 함량이 증가함에 따라 메탄을 투과도와 이온전도도 및 함수율이 조금 증가하는 추세를 보이다 9 wt%부터 감소하는 경향을 보였는데 이는 PAM의 친수성기보다는 가교효과의 영향이라 사료되며 HQSA 함량을 변화시켰을 때는 이온전도도, 함수율 그리고 이온교환용량이 전반적으로 증가하였는데 그 증가폭은 미비하였다.