이온교환막은 전하를 띤 작용기를 통해 특정 이온을 선택적으로 투과시키는 분리막으로, 전기투석, 역전기투석, 바이폴라막 전기투석 등 다양한 전기화학 공정에서 핵심 소재로 활용되고 있다. 최근 음이온교환막(anion-exchange membrane, AEM) 연구는 단순한 전하 선택성을 넘어 양성자 차단 AEM과 1가 이온 선택성 AEM과 같이 특정 이온에 대한 선택 적 투과를 제어하는 방향으로 발전하고 있다. 양성자 차단 AEM은 폐산 회수 및 산/염기 재생 공정에서 양성자 누출에 의한 효율 저하 문제를 해결하기 위한 핵심 소재로 주목받고 있으며, 1가 이온 선택성 AEM은 해수 담수화 및 자원 회수 과정에서 2가 음이온을 효과적으로 차단하기 위해 연구되고 있다. 본 총설에서는 이러한 기능성 AEM의 구조적 설계, 이온 수송 메커 니즘, 주요 성능 인자 및 최신 연구 동향에 대해 소개하고자 한다.

연속식 전기탈이온(continuous electrodeionization, CEDI)은 고순도수(high purity water, HPW)를 제조하기 위한 핵심적인 수처리 기술이다. 본 연구에서는 CEDI 성능 향상을 위해 이온교환수지 층의 구성과 이온교환막의 특성이 미치는 영향을 고찰하였다. 먼저, 다양한 이온교환수지 층 구성(mixed-bed, layered-bed, separated-bed)을 비교한 결과, mixed-bed 구 조가 가장 높은 염 제거율과 낮은 에너지 소비를 나타내었다. 이어서 이온교환수지 조성의 영향을 평가하기 위해 chromatography 수지와 gel 수지의 부피비율(C:G) 및 음이온/양이온 수지 비율(A:C)을 조절한 실험을 수행하였다. 그 결과, C:G = 25:75 및 A:C = 5:5 조건에서 가장 우수한 탈염 성능을 나타냈으며, 이는 적절한 공극 구조와 이온교환기 함량 간 균형을 통 해 물 분해 반응 및 이온 전달이 최적화된 결과로 해석된다. 또한, 두 종류의 상용 불균질 이온교환막(Lanxess 막과 금화정수 막)을 비교한 결과, 금화정수 막이 Lanxess 막보다 더 높은 이온전도도, 이온교환용량, 투과선택성을 나타내었고, 이에 따라 더 높은 탈염 효율과 낮은 에너지 소비를 나타내었다. 본 연구의 결과는 고효율 CEDI 시스템 설계를 위한 이온교환수지 층 조성 및 멤브레인 특성의 최적화 방향을 보여준다.

In this paper, the commercial anion exchange resin (IRA900) was used to investigate the adsorption properties, comparing the anion selectivity of phosphate and sulfate in water. The phosphate removal efficiency was 29.6% less than sulfate in single condition, and significantly decreased from 44.8% to 3.47 in mixed conditions while sulfate removal efficiency remained unchanged, confirming a higher selectivity for sulfate over phosphate. In the pH effect, phosphate removal efficiency increased with increase of pH due to the increased HPO4 2- species. The total removal efficiency of phosphate and sulfate was obtained approximately 62% in mixed condition, regardless of solution pH, indicating that the total anion exchange capacity was not influenced in the pH. The values of qmL and bL derived from Langmuir isotherm equation were 11.5 and 8.10 times higher for sulfate than for phosphate in mixed conditions. In single condition, sulfate and phosphate reached to equilibrium at 6 and 3 h, respectively. In mixed condition, phosphate was desorbed by the sulfate after 1h and the time to equilibrium for sulfate was retarded to 6h. Furthermore, when comparing the separation factor (αP/S), increasing the initial concentration led to higher selectivity of phosphate.

음이온 교환막(AEM) 수전해용 AEM 소재 개발은 재생 에너지를 활용한 수소 생산 기술을 개선하는 데 중요한 역할을 한다. 이러한 소재를 설계하고 최적화하는 데 분자동역학 전산모사가 유용하게 사용되지만, 전산모사 결과의 정확도 는 사용된 force-field에 크게 의존한다. 본 연구의 목적은 AEM 소재의 구조와 이온 전도 특성을 예측할 때 force-field 선택 이 미치는 영향을 체계적으로 조사하는 것이다. 이를 위해 poly(spirobisindane-co-aryl terphenyl piperidinium) (PSTP) 구조를 모델 시스템으로 선택하고 COMPASS III, pcff, Universal, Dreiding 등 네 가지 주요 force-field를 비교 분석하였다. 각 force-field의 특성과 한계를 평가하기 위해 298~353 K의 온도 범위에서 수화 채널 형태, 물 분자와 수산화 이온의 분포, 수산 화 이온 전도성을 계산하였다. 이를 통해 AEM 소재의 분자동역학 전산모사에 가장 적합한 force-field를 제시하고, 고성능 AEM 소재 개발을 위한 계산 지침을 제공하고자 한다.