Korea Atomic Energy Research Institute’s Post Irradiated Examination Facility safely stores spent nuclear fuel using a wet storage method to conduct research. Here, in order to remove the radioactivity released into the water, the stored water is passed through an ion exchange resin tower, and the radionuclides are exchanged with the bead-shaped ion exchange resin filled inside to lower the radioactivity concentration. At this time, because the stored water passes in one direction, clogging of the ion exchange resin occurs. If this phenomenon continues, the flow rate of the water treatment process decreases and operation efficiency decreases, so a backwashing process is necessary to re-mix the ion exchange resin and secure the flow rate again. In this study, the flow rate reduction trend according to the lifespan of the ion exchange resin and the flow rate recovery according to the backwash process operation amount were analyzed. The flow rate reduction trend of the ion exchange process was analyzed immediately after the backwashing process was started. In addition, the amount of flow recovery according to the backwash process operation amount was evaluated by the amount of waste generated during the backwash process and the number of days of operation until the backwash process was needed again. As a result, the flow rate of the ion exchange process decreased rapidly right after the backwash process until the position of the ion exchange resins was stabilized, and then stabilized. After that, it gradually decreased and reached the point where the backwash process was necessary. However, the decline trend was analyzed to be the same regardless of the lifespan of the ion exchange resin. In addition, the amount of waste generated during the operation of the backwash process was increased in the order of 400 L, 600 L, 1,100 L, 1,400 L, 3,500 L, and 4,200 L to increase the amount of operation of the backwash process. As a result, the number of days of ion exchange resin operation was 285 days, 338 days, and 342 days, was analyzed as 422 days, 322 days, and 720 days. Based on this study, it was confirmed that the flow rate reduction trend is the same regardless of the lifespan of the ion exchange resin, and as the backwash process operation increases, the number of days the ion exchange process can be operated increases, but there is a turning point where the waste treatment cost exceeds the number of days of operation.

The electroconvection generated on the surface of an ion exchange membrane (IEM) is closely related to the electrical/ chemical characteristics or topology of the IEM. In particular, when non-conductive regions are mixed on the surface of the IEM, it can have a great influence on the transfer of ions and the formation of nonlinear electroconvective vortices, so more theoretical and experimental studies are necessary. Here, we present a novel method for creating microscale non-conductive patterns on the IEM surface by laser ablation, and successfully visualize microscale vortices on the surface modified IEM. Microscale (~300 μm) patterns were fabricated by applying UV nanosecond laser processing to the non-conductive film, and were transferred to the surface of the IEM. In addition, UV nanosecond laser process parameters were investigated for obvious micro-pattern production, and operating conditions were optimized, such as minimizing the heat-affected zone. Through this study, we found that non-conductive patterns on the IEM surface could affect the generation and growth of electroconvective vortices. The experimental results provided in our study are expected to be a good reference for research related to the surface modification of IEMs, and are expected to be helpful for new engineering applications of electroconvective vortices using a non-conductive patterned IEM.

수산화리튬(LiOH)에 대한 수요는 현재의 대안들에 비해 환경에 대한 효율성과 안전성 때문에 매년 증가하고 있 다. 리튬은 다른 염분과 염수 호수에서 발견될 수 있으며, 나중에 합성되어 다양한 용도로 LiOH를 생성한다. 리튬 이온을 분 리 및 회수하기 위해 다양한 방법이 사용되며, 그 중 가장 일반적인 방법은 전기투석법(ED)이다. ED는 이온을 한쪽에서 다 른 쪽으로 밀어내는 구동력으로서 그 층의 전위차에 작용하는 멤브레인 기반 분리 기술이다. ED의 이온교환막(IEM)은 유체 역학적 부피에 따라 상이한 이온의 선택성이 달라지기 때문에 공정을 효율적으로 만든다. 본 총설에서는 리튬이온의 회수를 향상시키기 위한 ED와 IEM의 서로 다른 변화 전략이 논의된다.

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 연구는 막 결합형 축전식 탈염공정에서의 이온교환막의 두께와 탈착간의 관계를 규명하기 위하여 진행하였다. APSf/SPEEK 양, 음이온교환고분자를 합성하여 시판되는 탄소전극에 직접 캐스팅하여 이온교환막이 결합된 탄소전극을 제조하였다. 양, 음이온교환고분자를 캐스팅 하지 않은 것, 1회 캐스팅, 2회 캐스팅한 것으로 탈착시험을 하였다. 탈착 조건은 –0.1, -0.3, -0.5, -1.0 V로 하였으며 100 mg/L의 NaCl 수용액을 공급액으로 하여 완전 흡착을 한 다음 증류수로 공급액을 변경하여 완전탈착이 될 때 까지 관찰 하였다. 이온교환막의 두께가 두꺼워질수록 완전탈착까지 걸리는 시간이 증가하였고 높은 전위의 탈착 전압에서는 막의 두께가 탈착에 그다지 큰 영향을 끼치지 않는 것을 확인하였다.

Saline water electrolysis is an electrochemical process to produce valued chemicals by applying electric power. Perfluorinated sulfonic acid (PFSA) ionomers have been used as polymer electrolyte membrane (PEM) materials owing to their high sodium ion selectivity and barrier properties. However, sulfonic acid groups in PFSA ionomers are chemically decomposed under a basic catholyte condition, which makes the PEM materials lose their ionic selectivity and Faraday efficiency. In this study, double layered membranes were prepared by anchoring cross-linked hydrocarbon ionomers, as a protection layer to catholyte atmosphere, into the water channels, particularly, located at around the surface of a PFSA membrane. Here, each monomer results in the identical chemical architecture and different free volume content when polymerized.

막 결합형 축전식 탈염공정에서 이온교환막의 이온교환용량이 염 제거 효율에 미치는 영향을 알아보기 위해 poly(vinyl alcohol)(PVA) 수용성 고분자에 sulfosuccinic acid (SSA) 가교제를 첨가하고 poly(4-styrene sulfonic acid-co-maleic acid)(PSSA_MA)를 PVA 질량대비 10, 50, 90 wt%로 달리 첨가하여 제조하였다. PSSA_MA의 함량이 증가함에 따라 함수율과 이온교환용량이 증가하는 경향을 나타내었으며 막 결합형 축전식 탈염공정에서 염 제거 효율도 상승되었다. PSSA_MA 90 wt%, 100 mg/L NaCl의 공급액과 유속 15 mL/min에서 흡착 1.4 V/5분의 조건에서 가장 높은 65.5%의 염 제거 효율을 나타내었다.

현재 해수담수화 공정은 지속적인 연구를 통해 많은 개발이 이루어지고 있다. 그중 전기흡착탈이온(EAD) 공정은 이온교환막을 이용한 전기투석법과 이온교환수지를 이용한 이온교환수지법을 혼합하여 이루어지는 공정이다. 보다 효율적으로 이온교환이 이루어질 수 있는 공정이지만, 이온교환막 사이에 이온교환수지가 들어가기 때문에 사이즈가 비교적 크다. 또한, 이온교환수지의 크기 분포와 당량비가 모듈의 성능에 영향을 준다. 본 연구는 현재 상용화되고 있는 이온교환공정에서 쓰이고 있는 모듈의 문제해결과 성능 향상을 위해 보다 이온교환용량이 향상된 고분자와 현재 쓰이고 있는 일반적인 이온교환수지가 아닌 더 작고 균질한 이온교환능력을 가진 이온교환 나노입자를 제조하여 제막을 진행하였고, 다양한 특성평가가 이루어졌다.

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.

이온교환막은 수용액중의 양이온 및 음이온을 선택적으로 분리할 수 있는 이온선택성 막으로서 기본적 개념, 실직적 응용 분야, 기술적 적절성 등에 있어서 다양한 공정들에 폭넓게 사용되어지고 있다. 이온교환막을 응용한 공정은 최근 저가·고효율 이온교환막의 개발로 경제적이며 친환경적인 분리 공정으로 주목받고 있다. 이온교환막을 이용한 분리 공정은 초순수 제조, 이온성 물질의 분리·정제, 산·염기 제조와 같은 다양한 산업 분야에 적용이 가능하다. 본 발표에서는 이온교환막의 상업적 공정 적용 사례를 소개하고 향후 이온교환막의 개선방향에 대한 제안을 통해 보다 실용적인 국내 이온교환막의 개발에 도움이 되고자 한다.

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.

전기탈이온(EDI) 공정은 전기투석법과 이온교환수지법을 혼합한 공정이다. 그리고 공정에 이용되는 모듈은 전기투석을 위한 양･음이온교환막이 있으며 두 막 사이에 이온교환수지로 채워지는 형태이다. 그리고 모듈의 성능을 결정하는 인자로는 이온교환수지의 균질한 크기 분포도가 있다. 이러한 점들을 바탕으로 현재 이온교환수지를 글라인딩하여 bipolar형태의 막으로 만든 electroadsorption- deionization(EAD) 공정 모듈이 생산되고 있다. 본 연구는 현재 생산 되고 있는 모듈보다 높은 이온교환능력을 가지며 바인더 역할을 할 수 있는 고 무상의 고분자를 합성하고 이온교환수지대신 이온교환능을 가진 nano particle을 이용하여 복합막을 제조하였다.

상용화되고 있는 이온교환막의 경우 제조공정은 PVC를 분말을 paste로하여 PVC천에 함침시켜 제조하고 있다. 이러한 제조공정은 공정상의 어려움 및 제조 원가의 상승의 요인으로 지적되어 왔고, 이에 최근 PVC 비다공성 필름 지지체 가 특정 모노머에 팽윤하는 성질을 이용하여 함침 시키는 기술이 소개되고 있다. 그러나 이 또한 이온교환기를 도입하기 위해서는 슬폰화반응 및 4급 아민화 반응이 수반되어져야만 한다. 본 연구에서는 이런 이온교환기의 도입공정을 보다 단순화시키기 위한 방안의 제안 및 기초실험과정을 보고하고자 한다.

이온교환막이 결합된 축전식 탈염공정(Membrane capacitive deionization, MCDI)을 진행하기 위하여 양이온고분자로는 Sulfonated PPO(Poly(2,6-dimethyl-1.4-phenyl oxide)를 사용하였으며 음이온고분자로써 Aminated Polysulfone을 제조하여 전극 표면에 직접 코팅하여 사용하였다. 코팅여부는 SEM 사진을 통하여 확인하였으며, 성능을 알아보기 위하여 흡/탈착실험을 진행하였다. 유속(15, 25, 30 ml./min), 흡착시간(2, 3, 5, 7 min), 유입수의 농도(100, 200, 300, 500ppm)를 변화시켰는데 그 결과 유속은 느릴수록, 흡착시간은 길어질수록, 유입수의 농도가 낮을수록 염 제거 효율이 높게 나타났다.

In this study, cation and anion exchange process for performance evaluation was conducted. A pilot plant for the ultrpure water production was installed with the capacity of 25 m3/d. The various production rate and regeneration of ion exchange rate were tested to investigate the design parameters. The test resulst was applied to calculate the operating costs. Changing the flow rate of the ion exchange capacity of the reproduction reviewed the cation exchange process as opposed to the design value is 120 to 164% efficiency , whereas both anion exchange process is 82 to 124% efficiency, respectively. This results can be applied for more large scale plant if the scale up parameters are consdiered. The ion exchange capacity of the application in accordance with the design value characteristic upon application equipment is expected to be needed. In this study, the performance of cation and anion exchange resin process was evaluated with pilot plant(25m3/d). The ion exchange capacity along with space velocity and regeneration volume was evaluated. In results, the operation results was compared with design parameters.