본 연구에서는 산 폐수에서 효율적인 산-금속이온 분리를 위한 전기투석 공정에 적용할 수 있는 1가 이온에 대한 높은 선택성을 가진 양이온 교환막의 제조에 관한 연구를 수행하였다. 설폰산기를 가진 sodium 4-vinylbenzenesulfonate (NaSS), 포스폰산기를 가진 vinylphosphonic acid (VPA) 단량체 및 가교제를 비대칭 구조의 다공성 지지체에 충진하고 in-situ 광중합을 통해 세공충진 양이온 교환막을 제조하였다. 제조된 세공충진 양이온 교환막은 상용막 대비 이온교환용량이 다소 낮았으나 실제 응용에 적합한 수준의 전기적 저항 및 기계적 물성을 나타내었다. 다양한 NaSS:VPA 몰 비율로 제조된 세공충진 양이온 교환막과 상용막(CSE, Astom, Japan)의 H+/Fe2+ 혼합용액에서의 선택투과도를 측정한 결과 NaSS:VPA = 25:75 조건에서 가장 우수한 선택투과도를 확인하였으며 이는 상용막 대비 10 이상 높은 값이었다. 또한 최적 조건의 제조막 을 이용한 H+/Fe2+ 혼합용액의 전기투석 결과 상용막 대비 우수한 산-금속 이온 분리 성능을 확인할 수 있었다. 이온전도성이 우수한 설폰산기와 금속이온에 대한 결합력이 강한 포스폰산을 함께 도입한 양이온 교환막은 Fe2+ 이외에도 산 폐액으로부터 다양한 유가 금속이온을 분리하는 데 효과적일 것으로 기대된다.

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.

Proton-exchange membrane (PEM) water electrolysis is a promising technology for hydrogen production. Meanwhile, recently, hydrogen water production has attracted great attention owing to the increasing demand in healthcare market. Therefore, hydrogen water production via PEM water electrolysis has also gained much interest. The PEM is the key component dominating the hydrogen production efficiency in the system. Although a Nafion meets the criteria for a number of key physical properties required for the operation in PEM water electrolysis, it is too expensive for commercial applications. In this work, therefore, we have developed the membrane electrode assembly (MEA) prepared with cost-effective pore-filled PEMs via a nonequilibrium impregnation-reduction (I-R) method.

본 연구에서는 수계 내 포함된 양이온들 중 특히 중금속 이온을 효율적으로 분리할 수 있는 양이온 교환막을 개 발하였다. 기저 고분자로는 sulfonated polyetheretherketone (SPEEK)를 사용하였으며 이에 중금속 이온에 결합력이 강한 킬 레이팅 수지를 파우더링하여 첨가하였다. 또한 양이온 교환막의 성능을 최적화시키기 위해 킬레이팅 수지의 함량 및 SPEEK 의 이온교환용량을 제어하였다. 결과적으로 제조된 양이온 교환막을 막 축전식 탈염 공정(membrane capacitive deionization, MCDI)에 적용한 결과 중금속 이온 제거 효율이 20% 이상 향상됨을 확인할 수 있었다.

The water uptake, ionic conductivity, vanadium (VO2+) permeability and stability of polysulfone (PSF) based AEMs in alkaline media and in strongly oxidizing solutions were assessed. The highest ion conductivity was obtained with PSF-trimethylammonium (TMA)+. PSF-TMA+ also had better alkaline stability in comparison to PSF-AEM with different bases. PSF-TMA+ was demonstrated to show fuel cell performance. PSF-TMA+ demonstrated a 40-fold reduction in vanadium (VO2+) permeability when compared to Nafion® membrane. Comprehensive 2D NMR studies verified that PSF-TMA+ remained chemically stable even after exposure to a 1.5 M vanadium(V) solution for 90 days. Excellent energy efficiencies (85%) were attained and sustained over several charge–discharge cycles for a vanadium redox flow battery prepared using the PSF-TMA+ separator.

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

본 연구에서는 용액 캐스팅법을 이용하여 각기 다른 함량의 VMT가 첨가된 SPAES/VMT 복합막이 제조되었다. SPAES 매트릭스 내의 VMT입자 분산은 전자주사현미경으로 관찰된 평균분포에 의해 확인되었다. 1 wt%보다 적은 함량을 포함한 복합막은 고분자 매트릭스 내에 좋은 분산성을 나타내어 막의 상부층과 하부층에 매끈한 표면을 가졌다. 복합막의 함수율은 온도가 증가함에 따라 급격하게 증가되었으며 VMT는 높은 이온교환능력으로 인하여 강한 수분친화도를 가짐으로 인해 높은 모든 흡착된 수분은 bound water인 것으로 확인하였다. VMT의 함량이 1 wt%보다 적게 첨가된 복합막에서 증가된 이온전도도와 낮아진 메탄올 투과도를 확인할 수 있었다. 모든 복합막 중에서 SPAES/VMT 1.0 wt% 복합막은 선택도 측면에서 가장 뛰어난 연료전지 성능을 가졌으며 Nafion 112과 비교하여 두배 이상 우수한 값을 나타내었다. 이것은 SPAES/VMT 1.0 wt% 복합막이 직접메탄올 연료전지의 구동을 위한 가장 우수한 조건이 될것이라 사료된다.