환경오염과 화석연료의 문제로 인한 2차 에너지 변환 및 저장 장치의 개발이 활발하게 진행되고 있다. 이러한 에너지 변환장치들은 전기화학적 시스템을 기본으로 운영되고 있으며 이온교환막은 각 공정의 성능을 결정짓는 중요한 요소이다. 따라서 에너지 시스템의 효율 증대 및 성능 향상을 위해서는 적합한 물성을 갖는 이온교환막 개발이 필요하다. 이러한 이온교환막은 크게 양이온교환막, 음이온교환막, 바이폴라막으로 분류되고 있으며, 이들 막들은 화학적, 물리적, 형태학적 특성에 따라 다양한 용도을 갖고 있다. 본 총설에서는 이온교환막의 주요한 특징과 함께 이들의 제조 방법에 대해 기술했다. 이어서 이온교환막을 이용하여 최근 개발되고 있는 전기화학 시스템에 기반을 둔 역전기 투석, 레독스 흐름 전지, 수전해 공정에 대해서 소개하고, 각 에너지 공정에서 이온교환막이 갖는 역할과 조건에 대해서 설명하였다.

폴리에테르설폰(PES)과 폴리페닐렌설파이드설폰(PPSS)을 블렌딩한 고분자를 이용하여 음이온교환막을 제작하였다. EDXS와 FT-IR 분석으로부터 제작한 음이온교환막이 음이온교환기인 -N-을 갖는다는 것을 확인하였다. 1 mol/L의 황산 용액에서 이온전도도를 측정하였다. 제작한 음이온교환막은 0.015~0.083 S/cm의 이온전도도를 가졌으며, 시판의 음이온교환막인 AFN과 APS의 값과 비교하여 동등 이상의 값을 가졌다. 제작한 음이온교환막의 바나듐 레독스 흐름 전지용 격막으로 사용한지를 평가하기 위해 각 바나듐 이온의 투과를 측정하였다. 제작한 음이온교환막의 각 바나듐 이온의 투과도는 시판의 양이온교환막인 Nafion 117과 시판의 음이온교환막인 AFN과 비교하여 낮은 값을 가졌다.

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.

계면동전위 특성평가는 분리막의 막오염 개선연구와 분리막의 표면전하 분석을 통한 고분자의 개질 확인 및 치환기 확인에 대한 연구로 활발히 진행되고 있다. 제타전위 (zeta potential)란 전기역학적 현상으로 발생하는 전위차를 정량화 한 값을 측정하는 것을 말한다. 이러한 제타전위를 측정하기 위해서는 전기영동 (electrophoresis), 전기삼투 (eletrosmosis), 유동전위 (streaming potential)를 측정하는 예가 있다. 그 중 평막은 유동전위 측정을 하는 것에 있어 가장 높은 재현성을 보인다. 따라서, 본 연구에서는 SEBS (polystyrene-ethylenebutylene-styrene) 고분자 개질을 통해 아민화된 SEBS 평막형 분리막을 제막하고, 제막한 아민화된 SEBS 고분자 분리막의 계면동전위 측정을 통해 계면 유동전위를 측정하여 결과를 분석하였다.

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.

최근, 친환경적인 태양광, 풍력 등 재생에너지를 이용하는 발전시스템의 보급 및 인프라 구축, 차세대 전력망인 스마트 그리드 시스템에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이러한 재생에너지를 이용하는 발전은 재생에너지의 변동성을 수용하고, 원활한 전력공급 및 발전설비의 효율적인 활용을 위해 에너지저장 기술(ESS, energy storage system)이 필요하다. 레독스 흐름 전지(RFB, redox flow battery)는 재생에너지의 원활한 부하평준화에 의한 전력공급, 주파수 조절, 비상용 전력을 위한 ESS의 하나로 기술개발이 이루어지고 있다. 본 발표에서는 RFB에서의 이온교환막의 필요성, 이온교환막이 갖추어야할 특성 등에 대해 설명하고자 한다.

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.

본 연구에서는 이온교환막을 결합한 막 결합형 축전식 탈염공정으로 적용하여 진행하였다. 막 결합형 축전식 탈염공정에서 흡착전압과 이온교환막의 두께가 흡착성능에 미치는 영향을 알아보았다. 흡착전압을 0.5, 1, 1.4 V로 달리하였고 흡착전압이 증가함에 따라 강한인력으로 인해 많은 이온들의 흡착으로 배출수 농도의 최소점이 낮아지고 전극이 포화상태가 되기까지의 운전시간이 증가하였다. 이온교환막의 두께를 1, 2, 3회로 코팅횟수를 달리하였고 막이 두꺼울수록 막 내에서 이온들의 움직임이 원활하지 않아 감소된 흡착성능을 확인하였다. 이온교환막의 적합한 두께는 1회 코팅했을 때 3.85 ㎛의 두께를 보였다.

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.

해수담수화에 적용하기위한 이온교환막에 대한 연구이다. 이온교환막은 역삼투막에 비해 높은 효율을 가지며, 이에 따라 본 연구는 고분자와 입자를 섞어주어 복합막을 제조했다. 입자의 경우 표면적이 크고 좁은 입자크기 분포를 나타 내어 높은 이온교환용량을 나타낸다. 입자를 제조하여 양이온은 –NH3 +, -NR3 +, -PR3 +, -SR2 + 등의 관능기를 그리고 음이온은 –SO3 -, -COO-, -PO3 -, -C6H4O- 등의 관능기를 도입함으로써 양전하와 음전하로 높게 하전시킬 수 있다. 입자를 제조 하고 크기와 형상을 확인하기 위해 FE-SEM, 정량적 분석을 위한 FT-IR, 전기적 특성을 확인하기 위해 zeta potential, IEC value 그리고 열적 특성 평가를 위해 TGA, DSC를 사용하여 특성을 파악하였다.

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.

레독스 흐름 전지(Redox flow battery)는 태양광, 풍력 등 재생에너지의 변동성을 수용하고, 원활한 전력의 공급 및 발전설비의 효율적인 활용을 위한 에너지 저장 시스템의 하나로 연구가 진행되고 있다. 특히 바나듐 레독스 흐름 전지(Vanadium Redox Flow battery, VRFB)는 재생에너지의 원활한 전력공급과 부하 평준화, 주파수 조절, 비상용 전력을 위한 에너지 저장 시스템으로 연구가 진행되고 있다. 바나듐 레독스 흐름 전지에서는 격막으로 이온교환막을 사용하고 있으며, 이온교환막의 바나듐 이온의 투과성, 막 저항은 전지의 전류효율, 전압효율에 영향을 미치고 있다. 본 발표에서는 VRFB용 이온교환막으로 요구되는 특성과 성능 측정 방법 등에 대해 설명하고자 한다.