본 연구에서는 막 결합형 축전식 탈염공정에 적용을 위해 폴리비닐플루오라이드를 고분자 지지체로 사용하여 양이 온 및 음이온교환수지를 배합하여 제작된 불균질 이온교환막을 탄소전극에 결합하여 염 제거 효율을 알아보고자 하였다. 불균 질 이온교환막의 배합 조건은 용매, 고분자 지지체, 이온교환수지를 7 : 2 : 1의 무게 비율로 하였으며 탄소전극에 직접 캐스팅 하였다. 운전조건으로 공급액은 주로 NaCl 수용액에 대하여 흡착전압, 시간, 공급액의 농도, 유속, 탈착전압, 시간 등에 대하여 염 제거 효율을 측정하였으며 이 외에 CaCl2과 MgSO4 수용액에 대하여서도 측정하였다. 대표적으로 NaCl 100 mg/L 용액의 15 mL/min에서 1.5 V, 3분의 흡착조건, -0.1 V, 3분의 탈착조건에서 98%의 염 제거 효율을 보였으며, CaCl2과 MgSO4는 100 mg/L, 15 mL/min에서 1.2 V, 3분의 흡착조건, -0.5 V, 5분의 탈착조건에서 각각 70, 59%의 염 제거 효율을 보였다.

본 연구에서는 막 결합형 축전식 탈염공정(Membrane capacitive deionization)에 적용할 폴리비닐플루오라이드를 지지체로 사용한 불균질 이온교환막을 제조하였다. 폴리비닐플루오라이드를 유기용매인 NMP에 녹여 상용화된 양이온 및 음이온교환수지를 분산시켜 제조하였고 그 배합비율은 용매와 지지체, 이온교환 수지 순으로 7:2:1로 고정하였다. 상용화된 카본전극에 불균질이온교환막을 250㎛두께의 casting knife를 이용하여 직접 캐스팅하여 제조하였다. 기존의 사각형 형태의 유로를 가진 축전식 탈염공정 셀의 데드존으로 인한 효율감소를 개선한 육각형 형태의 셀에 전극을 장착하여 실험을 진행하였다. 먼저 CFD분석을 통해 유동패턴을 조사하였고, 실험조건은 흡착전압, 흡착시간, 공급액의 농도, 유속등을 달리하여 탈염효율을 비교하였다.

본 연구에서는 막 결합형 축전식 탈염공정에 적용하기 위하여 고분자 지지체 polyvinylidene fluoride (PVDF)에 상용화된 양이온 및 음이온교환수지를 배합하여 불균질 이온교환막을 제조하였다. PVDF와 이온교환수지의 배합비율을 1 : 1, 1.4 : 1, 2 : 1, 3 : 1로 달리하였으며 SEM, 함수율, 이온교환용량, 메탄올 투과도, 이온전도도를 측정하여 물리화학적 특성을 평가하였다. 특성평가 결과 모든 특성을 고려하였을 때 2 : 1의 배합비율이 가장 우수한 값을 나타내었다. 2 : 1의 배합비율로 제조한 불균질 양이온교환막의 함수율은 34%, 이온교환용량은 1.54 meq/g, 이온전도도는 0.019 S/cm, 메탄올 투과도는 2.28 × 10-7~8.86 × 10-7 cm2/s의 값을 나타내었으며 불균질 음이온교환막에서는 각 각 37%, 2.18 meq/g, 0.034 S/cm, 1.46 × 10-7~8.66 × 10-7 cm2/s의 값을 나타내었다.

본 연구에서는 불균질 양/음이온교환막을 제조하기 위하여 Polyvinylidene Fluoride (PVDF)와 상용 양이온수지(Purolite사의 C100MR/5035) 와 음이온수지 (Purolite사의 A430MR/100) 를 사용하여 불균질 양/음 이온교환 용액을 제조하였다. 제조한 용액은 캐스팅법으로 제막하여 특성을 평가하였다. 지지체인 PVDF의 양에 대한 양/음이온교환수지의 함량을 달리하여 불균질 이온교환막을 제조하였다. 제조한 이온교환막의 특성을 알아보기 위하여 FT-IR, 이온교환용량, 함수율, 인장강도 등을 측정하였다.

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.

이 연구는 양이온 불균질막을 제조하기 위해 PVdF와 상용 양이온교환수지를 배합하여 제조하고 최적의 조건제시 및 기존 상용화막과 비교 평가하였다. 연구결과 불균질막이 기존의 상용화막보다 이온교환용량, 전기저항, 함수율 부분에서 높은 물성을 나타내기 위해서는 이온교환수지의 무게 비율을 40% 이상 첨가해야 한다는 것을 확인하였다. 인장강도가 상용화 막보다 높기 위해서는 이온교환수지의 무게 비율을 50% 이하로 첨가해야 한다는 것을 확인하였다. 따라서 화학적 특성과 기 계적 특성을 고려했을 때, PVdF와 이온교환분말의 최적 비율은 60 : 40이며, 이때의 전기저항 1.82 Ω⋅cm-1, 함수율 79%, 이 온교환용량 1.60 meq/g으로 측정되었고 기계적 강도는 0.97 MPa로 측정되었다. 이때, TDS 제거율은 약 40%로 측정되었다.

Fouling을 줄이기 위한 한외여과용 친수성 막을 제조하기 위해서 chlorosulfonic acid(CSA)를 사용하여 이온교환용량이 다른 여러 종류의 sulfonated polyethersulfone(SPES)을 불균일계에서 제조하고 특성조사를 하였다. CSA농도, 반응온도, 반응시간 등의 반응조건에 따른 반응도와 분해정도를 알아본 결과 10℃ 이상의 온도와 0.05 mol 이상의 CSA 농도에서 효과적으로 반응이 일어나지만 고분자 주쇄의 분해가 심하게 일어나는 경향을 나타내었다. 술폰산기의 치환여부는 FTIR과 1H-NMR로 확인할 수 있었다. 불균일계에서 개질된 SPES 한외여과막의 단백질에 의한 fouling 감소효과를 알아보기 위해 같은 투과성능을 갖는 막을 비용매인 DCM과 pore 형성제 PVP를 첨가제로 사용하여 막을 제조하였다. 이온교환용량이 증가함에 따라 투과속도는 감소하고 배제율은 상당히 증가되었다. 이런 결과는 SEM에 의해서도 확인할 수 있었다. Finger 구조가 사라지면서 top layer의 두께도 증가하였다. 비용매인 DCM에 의해서 치밀한 막을, pore 형성제인 PVP에 의해서 다공성 막을 제조할 수 있었다. 이온교환 용량이 높을수록 친수성이 증가하여 fouling을 감소시킬 수 있었다.

본 연구는 붕소이온 분리를 위하여 4-Vinylpyridine-divinylbenzene(이하 4-VP-DVB라 칭함) 음이온 교환수지를 합성하고, polyethylene(이하 PE라 칭함)을 지지체로 사용하여 불균질계 음이온교환막을 제조하였다. 또한 그들의 구조와 기계적 성질 및 전기화학적 특성ㅇ르 FT-IR, conductometer와 pH meter 등의 기기로 측정하였으며, 유속과 전압의 변화에 따른 막의 성능을 평가하였다. 막의 분리성능은 PE 지지체 내에 4VP-DVB 이온교환 수지의 함량이 50wt%인 불균질막이 가장 우수하였으며, 산처리한 막이 수처리한 막의 그것보다 우수하였다. 막을 이용한 전기투석 실험에서 붕소이온 분리시 최적유속, 전압 및 시간은 각각 10mol/min, 18volt, 4시간이었다.