When decommissioning of nuclear facilities happens, large amounts of radioactive wastes are released. Because costs of nuclear decommissioning are enormous, effective and economical decontamination technologies are needed to remove radioactive wastes. During NPP operation, corrosion product called Chalk River Unidentified Deposits (CRUD) is generated. CRUD is an accumulation of substances and corrosion products consisting of dissolved ions or solid particles such as Ni, Fe, and Co on the surface of the NPP fuel rod coating. CRUD is slowly eroded by the circulation of hot pressurized water and later deposits on the fuel rod cladding or external housing, thereby reducing heat production by the nuclear fuel. Decontamination of radiologically contaminated metals must be performed before disposal, and several methods for decontaminating CRUD are being studied in many countries. Decontamination technology is an alternative to reducing human body covering and reducing radioactive waste disposal costs, and much research and development has been conducted to date. Currently, the importance of decontamination is emerging as the amount of waste stored in radioactive waste storage is close to saturation, and the amount of radioactive waste generated must be minimized through active decontamination. In this study, a preliminary study was conducted on the removal of CRUD by multiple membrane in an electro-kinetic process using an electrochemicalbased decontamination method. Preliminary research to develop a technology to electrochemically remove CRUD by using a self-produced electrochemical cell to check the pH change over time of the CRUD cell according to voltage, electrolyte, membrane and pH change.

The development of separation method of radioactive tritium is imperative for treating tritiumcontaminated water originating from nuclear facilities. Polymer electrolyte membrane electrolysis technology represents a promising alternative to conventional alkaline electrolysis for tritium enrichment. Nevertheless, there has been limited research conducted thus far on the composition of membrane electrode assemblies (MEAs) specifically optimized for tritium separation, as well as the methods used for their fabrication. In this study, we conducted an investigation aimed at optimizing MEAs specifically tailored for tritium separation. Our approach involved the systematic variation of MEA components, including the anode, cathode, porous transport layer, and electrode formation method. The water electrolysis efficiency and the H/D separation factor in deuterated water (1%) were evaluated with respect to both the preparation method and the composition of the MEA. To assess the long-term stability of the MEAs, changes in cell voltage, resistance, and the active electrode area were analyzed using impedance analysis and cyclic voltammetry. Furthermore, we examined H/D separation factor both before and after degradation. The results showed that MEAs with different anode/cathode configurations and electrode formation methods improved the electrolysis efficiency compared to commercial MEAs. In addition, the degree of change in the resistance value was also different depending on the electrode formation method, indicating that the electrode formation method has a significant impact on the stability of the electrolysis system. Therefore, the study showed that the efficiency and long-term stability of the water electrolzer can be improved by optimizing the MEA fabrication method.

Hydrogen isotope separation involves the separation of hydrogen, deuterium, tritium, and their isotopologues. It is an essential technology for removing radioactive tritium contamination and for obtaining valuable hydrogen isotope resources. Among various hydrogen isotope separation technologies, water electrolysis technology exhibits a high separation factor. Consequently, the electrolysis of tritiated water is of paramount importance as a tritium enrichment method for treating tritium-contaminated water and for analyzing tritium in environmental samples. More recently, hydroelectrolysis technology, which utilizes proton exchange membranes (PEM) to reduce water inventory, has gained favor over traditional alkaline hydroelectrolysis. Nevertheless, it is crucial to decrease the hydrogen permeability of the PEM in order to mitigate the explosion risk associated with tritium hydrogen electrolysis devices. Additionally, efforts are needed to enhance the hydrogen isotope selectivity of the PEM and optimize the manufacturing process of the membrane-electrode assembly (MEA), thereby improving both hydrogen isotope separation performance and water electrolysis efficiency. In this presentation, we will delve into two key aspects. Firstly, we’ll explore the reduction of hydrogen permeability and the enhancement of the hydrogen isotope separation factor in PEM through the incorporation of 2D nanomaterial additives. Secondly, we’ll examine the influence of various MEAs preparation methods on electrolysis and isotope separation performances. Lastly, we will discuss the effectiveness of the developed system in separating deuterium and tritium.

Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are an auspicious energy conversion technology with the potential to address rising energy demands while reducing greenhouse gas emissions. The stack’s performance, durability, and economy scale are greatly influenced by the materials used for the PEMFC, viz., the membrane electrocatalyst assembly (MEA) and bipolar flow plates (BPPs). Despite extensive study, carbon-based materials have outstanding physicochemical, electrical, and structural attributes crucial to stack performance, making them an excellent choice for PEMFC manufacturers. Carbon materials substantially impact the cost, performance, and durability of PEMFCs since they are prevalently sought for and widely employed in the construction of BPPs and gas diffusion layers (GDLs)) and in electrocatalysts as a support material. Consequently, it is essential to assemble a review that centers on utilizing such material potential, focusing on its research development, applications, problems, and future possibilities. The prime focus of this assessment is to offer a clear understanding of the potential roles of carbon and its allotropes in PEMFC applications. Consequently, this article comprehensively evaluates the applicability, functionality, recent advancements, and ambiguous concerns associated with carbonbased materials in PEMFCs.

막 축전식 탈염 공정(membrane capacitive deionization, MCDI)은 이온교환막을 다공성 전극과 함께 사용하여 탈 염 효율을 향상시킬 수 있는 CDI 공정의 변형이다. 이온교환막은 MCDI의 성능에 큰 영향을 미치는 핵심 구성요소이다. 본 연구에서는 MCDI의 탈염 효율을 크게 향상시킬 수 있는 이온교환막의 최적 제조 인자를 도출하고자 하였다. 이를 위해 PE 다공성 필름의 세공에 단량체를 충진하고 in-situ 광중합을 진행하여 세공충진 이온교환막(pore-filled ion-exchange membranes, PFIEMs)을 제조하였다. 실험 결과, 제조된 PFIEMs은 다양한 탈염 및 에너지 변환 공정에 적용할 수 있는 수준의 우 수한 전기화학적 특성을 나타내었다. 또한, MCDI 성능과 막 특성 인자와의 상관성 분석을 통해 막의 가교도를 제어하여 막 의 전기적 저항이 충분히 낮은 범위에서 이온 선택 투과성을 최대화하는 것이 MCDI의 성능 향상을 위해 가장 바람직한 막 제조 조건이라는 결론을 얻었다.

가스 분리 방법 중에서도, 멤브레인을 이용한 CO2 포집 및 분리는 지속적으로 개발되고 있는 꾸준히 성장하는 분 야이다. 이온성 액체(IL) 기반 복합 막은 CO2를 분리하는 데 있어 우수한 성능값을 보여준다. 유사하게, 다양한 공중합체/IL 복합막 또한 향상된 성능을 보여준다. 이러한 공중합체/IL 복합만에 산화그래핀과 같은 필러를 첨가하면 IL과 유기 필러 사 이에서 발생하는 강한 상호작용으로 인해 필러의 효과가 더욱 향상되며, 이는 결과적으로 CO2의 친화도, 선택도 및 흡착과 같은 요소를 향상시킨다. 금속-유기 구조체(MOF)를 사용하는 공중합체/IL 복합 막은 향상된 CO2 투과도를 보여주었다. 이 총설에서는 이온성 액체와 공중합체복합막의 다양한 조합에 따른 이산화탄소분리성능에 대한 상관관계를 논의한다.

VRFB에 사용되는 막의 수송 능력은 배터리 성능에 필수적인 요소이다. 탁월한 배터리 성능을 위해서는 높은 양 성자 전도도와 낮은 바나듐 이온 투과도가 달성되어야 한다. 하지만 양성자 전도도와 바나듐 이온 투과도 사이에는 상충관계 가 존재한다. 따라서 이 상충관계를 해결하는 것이 VRFB의 발전에 필수적이다. 또한 높은 쿨롱 효율, 전압 효율 및 에너지 효율을 유지하는 것이 고성능 VRFB를 위해 필수적이다. 최근 복합막과 SPEEK 막을 중심으로 나피온 막의 기존 한계를 극 복하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. VRFB은 이 논문에서 검토하는 복합막에서 충전식 배터리의 필수 등급이다.

본 연구에서는 중공사형 지지체막을 폴리술폰(polysulfone, PSf) 고분자를 이용하여 비용매 상분리법(non solvent induced phase separation, NIPS)에 의해 제조하였다. 제조된 중공사 지지체막을 PDMS와 Pebax를 코팅하여 중공사형 복합막 을 제조하고 CO2, H2, O2 그리고 N2에 대한 순수 투과도(permeance)와 선택도를 측정하였다. 제조된 복합막 모듈 중에서 선 택도(CO2/H2)가 가장 높은 모듈을 선정하여 모사가스를 사용하여 스테이지컷(stage cut, SC)의 변화에 따라 분리성능을 측정 하였다. 이때 사용된 모사가스는 PSA에서 버려지는 off gas의 농도인 CO2 70% : H2 30%인 것을 사용하였다. 1단 실험에서 는 H2 농도 약 60%, H2 회수율 12%의 값을 얻을 수 있었다. 낮은 H2 농도와 회수율을 극복하기 위해 2단 직렬 테스트를 수 행하였으며, 이를 통해 H2 농도 약 70%, H2 회수율 70%를 달성할 수 있었으며, 이를 통해 CO2/H2 분리에 대하여 분리 공정 구성을 도출할 수 있었다.

본 연구는 에너지 저장 응용을 위한 PVI-PGMA/LiTFSI 고분자 막 전해질 및 CxNy-C 유연 전극의 합성 및 특성 에 관한 연구이다. 이중 기능을 갖는 PVI-PGMA 공중합체는 우수한 이온 전도성을 나타내었으며, PVI-GMA73/LiTFSI200 막 전해질은 1.0 × 10-3 S cm-1의 최고 전도도를 달성하였다. CxNy-C 전극의 전기화학적 성능을 체계적으로 분석하였으며, C3N2-C는 나노와이어와 다면체로 구성된 높은 연결성을 갖는 하이브리드 구조와 이중 Co/Ni 산화물을 포함하여 풍부한 산 화환원 활성 부위와 이온 확산을 용이하게 하는 특징으로 인해 958 F g-1의 최고용량 및 최소한의 전하 전달 저항(Rct)을 달성 하였다. 흑연 탄소 껍질의 존재는 충전-방전 동안 높은 전기화학적 안정성에 기여하였다. 이러한 결과들은 고성능 에너지 저 장 장치인 슈퍼커패시터 및 리튬 이온 전지와 같은 첨단 에너지 저장 장비에 PVI-PGMA/LiTFSI 고분자 막 전해질과 CxNy-C 전극을 활용하는 잠재력을 보여주었으며, 지속 가능하고 고성능의 에너지 저장 기술을 더욱 발전시키는 길을 열어가 고 있다.

먼지 필터 막은 인간의 건강, 안전 및 환경 보호의 몇 가지 중요한 측면에 기여하기 때문에 인간의 삶과 다양한 산업에서 중요한 역할을 한다. 이 연구는 고온 조건에 대한 우수한 열안정성과 접착 특성을 가진 polysulfone@polyphenylene sulfide/polytetrafluoroethylene (PSf@PPS/ePTFE) 복합 먼지 필터 막의 개발을 제시한다. FT-IR 분석은 PSF 접착제가 PPS 직 물에 성공적으로 함침되고 ePTFE 지지체와의 상호 작용을 확인한다. FE-SEM 이미지는 향상된 섬유 상호 연결 및 PSf 농도 와 함께 접착력을 보여준다. PSf@PPS/ePTFE-5는 가장 적합한 다공성 구조를 보여준다. 복합 막은 400°C까지 예외적인 열 안정성을 보여준다. 박리 저항 테스트는 먼지 여과에 대한 충분한 접착력을 보여 공기 투과성을 희생시키지 않고 힘든 고온 조건에서 신뢰할 수 있는 성능을 보장한다. 이 막은 산업 응용 분야에서 유망한 잠재력을 제공한다. 더 나아가 최적화 및 응 용 가능성을 탐구할 수 있다.

폐수 처리는 담수 공급의 수요를 맞추고 동시에 환경 오염을 제어하기 위한 가장 중요한 기술 중 하나이다. 여러 종류의 증류법과 역삼투 공정과 같은 다양한 기술은 더 높은 에너지 투입을 필요로 한다. 축전식 탈염(CDI) 기술은 전력 소 비가 매우 적어 슈퍼커패시터 원리에 기반한 대안으로 떠오르고 있다. 공정의 효율성을 향상시키기 위해 전극 재료를 개선하 기 위한 연구가 계속되고 있다. 역전기투석은 가장 일반적으로 사용되는 담수화 기술 및 삼투압 발전기이다. 역전기투석의 효 율을 향상시키기 위해 수행된 많은 연구 중, 맥신(MXene)은 이온교환막 및 2차원 나노유체 채널로서 역전기투석의 물리적 및 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있는 유망한 방법으로 떠오르고 있다. 맥신은 단독 사용뿐만 아니라 다른 물질들이 맥신 과 혼합되어 복합막의 성능을 더욱 향상시킨다. 전처리를 거치거나 Ti3C2Tx, 나피온 등을 포함한 이종구조를 가진 맥신은 각 각 최대 담수화 성능 측정 결과를 통해 담수화 산업에서 유망한 재료로 맥신의 잠재력을 입증했다. 역전기투석을 통한 삼투 압 발전 산업에서 이온교환막에서 비대칭 나노유체 이온 채널에 맥신을 사용함으로써 최대 삼투압 출력 밀도를 크게 향상시 켰으며, 대부분 상용화 기준값인 5 Wm-2를 넘었다. 일정 개수의 단위체를 연결함으로써 매개체의 도움 없이 전자기기에 직접 적으로 전력을 공급할 수 있는 수준의 전압이 출력됐다. 본 리뷰에서는 맥신 복합막을 기반으로 한 전기투석 공정의 최근 연 구들에 대해 설명한다.

환경 오염과 천연 자원의 고갈에 대한 증가하는 우려는 환경적으로 지속 가능한 기술의 개발을 촉진했습니다. 퍼 바포레이션은 낮은 에너지 소비, 환경 영향 및 성능 효율로 인해 최근 수십 년 동안 주목을 받아 왔습니다. 이 방법은 막이 원하는 선택도를 충족하도록 미세 조정될 수 있기 때문에 화학 종을 분리하고 유기 용매를 탈수하는 데 사용되었습니다. 역 삼투 및 증류와 같은 여러 분리 공정은 실험 환경 및 산업 응용 분야에서 모두 활용되고 있습니다. 그러나 퍼바포레이션은 작동 압력 및 온도가 낮고 거부율이 높은 등 여러 이점이 있습니다. 그럼에도 불구하고, 현재 막 기술의 상태만으로는 실용적 인 응용에 대한 요구를 충분하게 할 수 없습니다. 반면, 복합막은 유기 물질과 무기 물질의 장점을 모두 활용할 수 있습니다. 많은 연구들이 현재 한계를 해결하기 위해 그래핀 산화물(GO) 및 MXene (MX)과 같은 무기 나노 물질을 고분자 막에 효과 적으로 통합했습니다. 이 검토는 투과증발에서의 2D 복합막의 최근 발전을 조사하고 성능 향상을 평가합니다.

공유 유기 프레임워크(COF)는 분자 분리, 염료 분리, 가스 분리, 여과 및 담수화를 포함한 다양한 응용 분야에서 가능성을 보여주었습니다. COF를 막에 통합하면 투과성, 선택성 및 안정성이 향상되어 분리 공정이 향상됩니다. 단일 벽 탄 소 나노튜브(SWCNT)와 COF를 결합하면 염료 분리에 이상적인 높은 투과성과 안정성을 가진 나노 복합막을 생성합니다. COF를 폴리아미드(PA) 막에 통합하면 합성 계면 전략을 통해 투과성과 선택성이 향상됩니다. 혼합 매트릭스 막(MMM)의 3 차원 COF 필러는 CO2/CH4 분리를 향상시켜 바이오가스 업그레이드에 적합합니다. COF와 금속 유기 프레임워크(MOF) 막 을 결합한 모든 나노 다공성 복합재(ANC) 막은 투과성-선택성 트레이드오프를 극복하여 가스 투과성을 크게 향상시킵니다. 가상 COF (hypoCOF)를 사용한 계산 시뮬레이션은 CO2 분리 및 H2 정제와 관련하여 우수한 CO2 선택성과 작업 능력을 입 증합니다. 박막 복합재(TFC) 및 폴리술폰아미드(PSA) 막에 통합된 COF는 유기 오염물, 염 오염물 및 중금속 이온에 대한 거 부 성능을 향상시켜 분리 능력을 향상시킵니다. TpPa-SO3H/PAN 공유 유기 프레임워크 막(COFM)은 대전된 그룹을 활용하 여 정전기적 반발을 통해 효율적인 담수화를 가능하게 함으로써 기존의 폴리아미드 막에 비해 우수한 담수화 성능을 보여 이 온 및 분자 분리의 잠재력을 제시했습니다. 이러한 연구 결과는 투과성, 선택성 및 안정성을 향상시켜 향상된 분리 공정을 위 한 막 기술에서 COF의 잠재력을 강조합니다. 이 검토에서는 분리 공정에 적용된 COF에 대해 논의합니다.

본 연구에서는 현탁중합을 통해 이온교환입자를 합성하였다. 또한 음이온 교환막을 제조하기 위해 brominated poly(phenylene oxide) (Br-PPO)로 교환막 합성을 진행하였으며, 합성한 이온교환입자를 Br-PPO에 첨가하여 음이온 교환막 에 성능을 향상시키고자 하였고, 이를 적용하여 음이온 교환막 연료전지 시스템의 성능 평가를 진행했다. 이온교환입자는 FT-IR, TGA 및 UTM을 통해 구조 분석, 열적 기계적 특성을 평가하였다. Br-PPO는 NMR을 통해 화학적 구조 분석 및 합성 여부를 확인하였고, 음이온 교환막 연료 전지 셀 테스트를 진행하기 전 이온전도도와 이온교환용량, 팽윤도 및 수분함수율을 측정해 연구되고 있는 다른 음이온 교환막들과 비교를 통해 성능을 평가했다. 최종적으로 가장 성능이 우수했던 이온교환입 자를 0.7 wt%를 첨가한 Br-PPO-TMA- SDV 음이온 교환막을 연료전지 시스템에 도입하여 상용 막인 FAA-3-50과 성능을 비 교했다.

이 총설에서는 다양한 소재를 이용한 고분자 분리막의 제조를 위한 제조방식, 특성과 여러가지 인자들에 대해서 논의하고자 한다. 분리막 제조방식은 상전이, 계면중합, 연신, 트랙에칭 그리고 전기방사 같은 방법을 주로 강조하여 설명하 고자 하며, 추가적으로 다양한 응용에 따른 제조방식에 대한 한계나 응용성에 대해서도 설명하고자 한다. 또한 다양한 고분자 분리막의 표면거칠기, 표면장력, 표면전하와 표면의 기능성 작용기 같은 표면특성에 대해서도 정리하였으며, 막성능의 향상을 위하여 상전이법이나 계면중합 같은 일반적인 분리막 제조공정에서 필요한 추가적인 향상방법을 나타내었다. 트랙에칭이나 전기방사와 같은 새로운 제조방법의 가능성에 대해서도 분석하였다.

The separation of hydrogen isotopes is a critical issue in various fields, such as deuterium or tritium production and the treatment of radioactively contaminated water. In this presentation, we describe the pervaporative separation of hydrogen isotopes using proton conductive membranes and underlying separation mechanism. We investigated the H/D separation factors of perfluorosulfonic acid (Nafion) and polybenzimidazole membranes using pervaporation, and found that both membranes exhibited similar separation factors of approximately 1.026. Water permeation flux through the membranes was highly dependent on their thickness and type, and increased with operation temperature. However, the effect of temperature on H/D separation factor was negligible. We also demonstrated the cascade separation of H/D, indicating the potential application of multi-stage operation. We found that surface transport mechanisms such as hydron hopping contributed the most to H/D separation during the pervaporation process of proton conductive membranes.

For decontamination and quantification of trace amount of tritium in water, an efficient separation technology capable of enriching tritium in water is required. Electrolysis is a key technology for tritium enichment as it has a high H/T and D/T separation factors. To separate tritium, it is important to develop a proton exchange membrane (PEM) electrolyzer having high hydrogen isotope separation factor as well as high electrolyzer cell efficiency. However, there has not been sufficient research on the separation factor and cell efficiency according to the composition and manufacturing method of the membrane electrode assembly (MEA) Therefore, it is necessary to study the optimal composition and manufacturing method of the MEA in PEM electrolyzer. In this study, the H/D separation factor and water electrolysis cell efficiency of PEM electrolyzer were analyzed by changing the anode and cathode materials and electrode deposition method of the MEA. After the water electrolysis experiment using deionized water, the D/H ratio in water and hydrogen gas was measured using a cavity ring down spectrometer and a mass spectrometer, respectively, and the separation factor was calculated. To calculate the cell efficiency of water electrolysis, a polarization curves were obtained by measuring the voltage changes while increasing the current density. As a result of the study, the water electrolyzer cell efficiency of the MEA fabricated with different anode/cathode configurations and electrode formation methods was higher than that of commercial MEA. On the other hand, the difference in H/D separation factor was not significant depending on the MEA fabrication methods. Therefore, using a cell with high cell efficiency when the separation factor is the same will help construct a more efficient water electrolysis system by lowering the voltage required for water electrolysis.

Various types of tanks are used in nuclear power plants, and sludge composed of various organic substances and inorganic oxides contaminated with radioactive materials may be present at the bottom of a tank of a radioactive waste treatment device. In addition, glassy and fixative oxide contamination layers are accumulated on the inner wall of the tank depending on the tank material, usage and degree of oxidation. Such contaminated sludge is the main cause of radiation exposure to workers when dismantling nuclear power plant tanks. In addition, the waste filters generated by filtration of contaminated sludge is treated as secondary radioactive waste, and this radioactive waste not only occupies a lot of disposal space, but also the disposal cost is continuously increasing. Therefore, it is necessary to develop a technology that does not generate waste filters as much as possible. To solve this problem, NILEPLANT Co., Ltd. registered a patent named “Filtering apparatus” based on previous research and manufactured a rotary filtration membrane device through detailed design. The rotary filtration membrane device is composed of three or more multiple rotary filtration membranes, and can remove fine particles in wastewater as well as sludge accumulated inside a radioactive contamination tank. In addition, considering the site characteristics of special conditions such as nuclear power plants, it was designed to show excellent performance in removing fine particles while minimizing the area where the device is installed. The rotary filtration membrane device is designed and manufactured as a double cylinder structure that combines a hydro cyclone filter type body and an inner partition wall, and is equipped with a filter cloth-based rotary cylinder filter to process sludge through the filter cloth in addition to inertial. In addition, the patented principle enables self-backwashing without stopping the filtration process, extending the life of the filter and minimizing waste filters. The filtration performance, self-backwashing function, and sludge behavior of the rotary filtration membrane device manufactured based on the detailed design were evaluated through experiments, and improvements to obtain more effective filtration performance were derived. Accordingly, it is expected that the more improved rotary filtration membrane device can be effectively used to remove sludge generated during the dismantling of nuclear power plants in the future.