본 연구에서는 Na2SO4 폐수 처리를 위한 바이폴라막 전기투석(bipolar membrane electrodialysis, BPED)에 적용하 기 위한 sulfonated poly(phenylence oxide) (SPPO) 기반 강화 양이온교환막(cation-exchange membrane, CEM)을 제조하고 그 성능을 평가하였다. 특히, 다양한 open area, opening size, 두께를 가지는 직조형 지지체를 사용하여, 지지체가 강화막의 물리 적 및 전기화학적 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 실험 결과, open area와 opening size가 증가할수록 이오노머의 충진율 이 증가하고 이온 전도 경로가 개선되어 막의 전기적 저항이 감소하고 함수율은 증가하는 경향성을 나타내었다. 한편, OH- 이온은 함수율이 높은 조건에서 막을 통해 더 쉽게 투과하였으며, SO4 2‒ 이온은 지지체의 특성과는 상관없이 전반적으로 낮 은 투과도를 나타내었다. 또한 제조막의 특성과 산/알칼리 조건에서의 내화학성을 종합적으로 고려한 결과, polypropylene (PP)이 가장 적합한 보강재 소재로 판단되었으며, 이를 활용하여 제조한 강화막은 상용막 대비 우수한 인장강도와 구조적 안 정성을 나타내었다. 개발된 강화 CEM을 BPED에 적용한 결과, 상용막 대비 막을 통한 SO4 2‒ 누출이 현저히 억제되어 산/염 기 순도, 전류 효율, 및 에너지 효율이 향상됨을 확인할 수 있었다.

메타바나듐산 암모늄으로 제조한 전해액과 양이온교환막인 Nafion117을 활용하는 바나듐 레독스 흐름 전지 (vanadium redox flow battery, VRFB)의 전기화학적 성능을 평가하였다. VRFB의 전기화학적 성능은 전류밀도 60 mA/cm2에 서 측정하였다. 메타바나듐산 암모늄으로 제조된 전해액을 사용한 VRFB의 평균 전류효율은 94.9%, 평균 전압효율은 82.2%, 평균 에너지효율은 78.0%를 보였다. 그리고 메타바나듐산 암모늄으로 제조된 전해액을 사용한 VRFB의 각 효율은 바나딜 설 페이트(VOSO4)로 제조된 전해액을 사용한 VRFB의 각 효율과 비교하여 거의 동등한 값을 갖는다는 것을 확인하였다.

최근 수자원 부족의 문제에 대한 탈출구를 찾기 위해 해수담수화 공정이 지속적인 연구가 이루어지고 있다. 그 중 전기흡착탈이온(EAD) 공정은 이온교환막을 이용한 전기투석법과 이온교환수지를 이용한 이온교환수지법을 혼합하여 이루어지는 공정으로 현재 사용되고 있는 해수담수화 공정의 효율을 더 높이 올려줄 것이라 예상하고 있다. 하지만, 이 공정은 이온교환막 사이에 이온교환수지가 있는 구조이기 때문에 기존 모듈보다 비교적 사이즈가 크다는 단점이 있다. 또한, 이온교환수지의 크기 분포와 당량비가 모듈의 성능에 영향을 준다. 본 연구는 현재 상용화되고 있는 이온교환공정에서 쓰이고 있는 모듈의 문제해결과 성능 향상을 위해 진행되었다. 개질을 통해 이온교환용량을 더욱 향상시키고 일반적인 이온교환수지가 아닌 더 작고 균질한 이온교환능력을 가진 이온교환 나노입자를 제조하여 제막을 진행하였고, 다양한 특성평가가 이루어졌다.

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.

기존의 전기 탈이온 공정(EDI)은 전기투석법과 이온교환수지법을 혼합한 공정으로 알려져있다. 여기서의 모듈은 전기투석을 위한 양이온교환막과 음이온교환 막이 있고 이 막 사이에 이온교환수지를 채워 넣는 형태로 제조된다. 이에 이용 되는 양이온교환막으로 술폰화시켜 이온교환능을 가지게한 sulfonated SEBS triblock copolymer를 이용했다. 게다가 술폰화시킨 SEBS, 물 분자, 히드로늄 이온을 모델링하고 술폰화시킨 SEBS, 히드로늄 이온과 물분자의 의 동역학을 분자동역학시뮬레이션을 이용해서 살펴보았다. 그리고 실제 실험을 통한 비교분석 을 진행했다.

수처리 공정에 대한 관심도가 매우 높음에 따라 본 연구에서는 이온교환막에 사용되는 이온교환수지를 대신할 물질로 이온그룹을 도입한 입자를 제조하였다. 기존의 이온교환 수지보다 나노 단위의 입자가 표면적으로 증가시켜 더 높은 이온교환능이 기대된다. 양이온은 –NH3 +,-NR3 +,-PR3 +,-SR2 +등의 관능기를 그리고 음이온은 -SO3 -,-COO-,-PO3 -,-C6H4O-등의 관능기를 도입한 단분산된 나노크기의 입자를 제조하여 각각 양전하와 음전하로 높게 하전시킬 수 있다. 입자들에 대해 제타전위를 측정하고, IEC, FT-SEM 및 FR-IR을 측정하여 특성평가를 진행하였다.

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.

이번 연구에서는 기존의 이온교환 수지를 대체 할 수 있는 물질에 대한 연구를 진행하였다. 이에 대한 물질로는 유화중합을 통해 Styrene monomer를 활용한 Polystyrene particle을 제조하였다. 이온기가 도입된 입자의 경우 기존의 이온교환수지보다 표면적이 훨씬 크고, 입자 크기가 작아 좁은 분포를 나타내어 더 높은 이온 교환 용량을 나타냄을 확인 하였다. 단분산된 입자에 Sulfonation 반응을 통해 -SO3 -관능기를 도입하였으며 이외에도 -COO-, -PO3 -, -C6H4O- 등의 관능기를 도입함으로써 SEBS 고분자 분리막을 음전하로 높게 하전 시킬 수 있 었다. 입자를 제조하고 이에 따른 특성평가는 SEM, FT-IR, Zeta potential, IEC value등의 전기적 특성과 TGA, DSC 등의 열적 특성을 파악하였다.

전기 탈이온 공정(EDI)은 전기투석법과 이온교환수지법을 혼합한 공정으로 알려져 있고, 모듈은 전기투석을 위한 양이온교환막과 음이온교환막 사이에 이온 교환수지를 채워 넣는 형태로 제조된다. 모듈 제조에 사용되는 양이온교환막을 고무상의 고분자 SEBS triblock copolymer를 이용하여 sulfonation을 진행하여 S-SEBS 양이온교환막을 제조하였다. 제조된 양이온교환막의 특성평가를 진행하였고, 술폰화시킨 SEBS, 물 분자, 히드로늄 이온을 모델링하여 술폰화시킨 SEBS, 히드로늄 이온과 물분자의 의 동역학을 분자동역학시뮬레이션을 이용해서 살펴 본 뒤 비교분석을 진행했다.

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.

현재 사용되는 전기탈이온(EDI)공정은 전기투석법과 이온교환수지법을 혼합한 공정이다. 이 공정은 전기투석을 위한 양/음이온교환막이 사용되고 두 막 사이 에 이온교환수지로 채워서 모듈을 제작한다. 전기탈이온공정은 농축수가 강한 산성과 염기성이기 때문에 전극의 손상과 같은 문제점을 초래한다. 이러한 문제 점을 해결하기 위해서 전기흡착탈이온(EAD)공정을 사용한다. 전기흡착탈이온공 정은 반대 전하 이온을 흡착시켜 제거하고 역전을 통해서 탈착시켜 이온교환기 를 재생시키는데, 이 때 재생시간이 필요하다. 따라서, 이온교환막을 Bipolar막으 로 제조하여 해결할 수 있고, 전기탈이온공정과 공통적으로 모듈을 작게 만들기 위해서 나노사이즈의 이온교환입자를 제조하여 별도의 처리과정 없이 성능을 구현하고자하였다. 본 연구는 현재 생산되고 있는 모듈보다 높은 이온교환능력 을 가지며 바인더 역할을 할 수 있는 고무상의 고분자를 합성하고 이온교환수 지대신 이온교환능을 가진 nano particle을 이용하여 복합막을 제조하였다.