The effects of the thickness of the ion exchange layers on carbon electrodes have been studied on the adsorption performance through the operating time to the maximum adsorption and effluent concentrations at the desorption in the membrane capacitive deionized processes. The thicknesses of the ion exchange layers were adjusted with the number of times from 1, 2, and 3 times using 8 wt% of ion exchange polymer solutions. As the thickness of the ion exchange layers on carbon electrodes increased, the minimum concentrations of the effluents increased since the adsorption was not satisfactorily carried out due to the limited movements of ions in feed within the coating layers. The times to the maximum adsorptions were 80 min for one time coating and 174 and 242 min for two, three times coatings, respectively. It was interesting that the linear relationship was found between the thickness of the coating layers and the times to the maximum adsorption.

탄소 전극 위에 코팅된 이온교환막 층의 두께가 막 결합형 축전식 탈염 공정에서 흡착성능에 어떠한 영향을 끼치는지 최대흡착에 걸리는 시간과 탈착 시 배출수 농도에 관하여 연구하였다. 이온교환막의 두께는 8 wt% 이온교환고분자 용액의 코팅횟수를 1, 2, 3회로 달리하였을 때, 이온교환막의 두께가 증가됨에 따라 막을 통과하는 이온들의 움직임이 원활하지 않아 탄소전극에 충분히 흡착되지 못하여 배출수 농도의 최소점이 높아졌다. 최대 흡착 시까지 걸리는 시간이 1회 코팅에서 80분, 그리고 2, 3회 코팅에서 각각 174분, 242분으로 증가되었다. 코팅 두께에 따른 최대 흡착 시까지 걸리는 시간이 선형으로 나타났다.

Keywords: membrane capacitive deionization (MCDI), aminated polysulfone (APSf), sulfonated poly(ether ether ketone), adsorption voltage, membrane thickness

담수화 확보에 대한 기술은 중요한 기술 중 하나이며 해수담수화 처리 기술에 대한 연구는 활발히 진행 중에 있다. 탈염 공정 중 하나인 축전식 탈염(capacitive deionization, CDI) 기술은 전기흡착기술이며 에너지 저감 효과가 큰 기술로 많은 관심을 받고 있다. 축전식 탈염 기술이란 전기이중층의 원리를 바탕으로 전위를 인가하여 정전기적인 힘에 의해 이온들을 흡착하는 기술로 90% 이상의 회수율을 얻을 수 있으며 환경 친화적인 기술이다.^1-4 CDI 기술은 흡착 과정과 탈착 과정을 포함하며 다공성 전극의 구조 내에 이온들이 흡착되고 역 전위를 가해 탈착시킴으로써 전극을 재생시키는 반복되는 과정으로 진행된다. 이러한 과정 중에서 탈착 시 전기이중층에 흡착된 이온들이 완전히 탈착되지 않아 재 흡착 시에 흡착 가능한 이온의 양이 감소해 효율이 낮아지는 단점이 있다.^5-8
이러한 문제를 해결하기 위해 양이온교환막(CEM)과 음이온교환막(AEM)을 도입하여 이온들을 선택적으로 분리할 수 있는 막 결합형 축전식 탈염(membrane capacitive deionization, MCDI)기술이 개발되었다. MCDI는 전해질과 전극이 직접적으로 접촉하는 것을 방지함으로써 전극 표면에 오염이 생기지 않도록 한다. MCDI 모듈은 음이온교환막과 양이온교환막을 겹쳐 결합시키고 두 교환막 사이에 스페이서를 도입하여 공급액이 사이로 지나갈 수 있는 구조로 설정한다. CDI기술에서의 문제점을 해결하여 이온이 더욱 효율적으로 제거되는 결과를 보였다.^9-11
CDI 및 MCDI 기술의 담수화 성능은 작동 조건 및 전극의 특성과 같은 여러 변수들에 의해 영향을 받으며 전기 전도도, 활성탄의 기공구조 및 비 표면적과 같은 다양한 특성에 의해 영향을 받는 것으로 보고되어 있다.^12-14 Zhao 등은 성능을 향상시키기 위해 여러 흡/탈착 시간, 공급액 농도, 전류 및 전압을 변수로 하여 염 흡착량 및 속도에 대한 실험적 및 이론적 결과를 보여주며 회수율에 미치는 영향을 제시하고 있다.¹⁵
MCDI 공정에서 이온교환막은 성능에 있어서 매우 중요한 역할을 한다. 먼저 보고된 연구에서는 이온교환고분자를 달리하여 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리(테트라 플루오르 에틸렌) poly(tetrafluoroethylene), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리(비닐리덴 플루오라이드) (poly(vinylidene fluoride))등과 같은 다양한 유형의 고분자를 이용하여 이온교환막이 적용된 MCDI 연구가 보고된 바가 있으며,^16-21 염제거의 효율과 안정성을 향상시키기 위한 연구는 진행되어 오고 있다. 이렇게 MCDI 공정에서 이온교환막에 대한 연구가 진행되는 동안 MCDI 공정과 이온교환막의 두께와 관련된 연구는 거의 없었다. 상업용 이온교환막은 기계적 강도를 위해 일반적으로 매우 두꺼워 높은 전기저항으로 인해 흡착성능을 감소시킨다고 소개되어있는데^22,23 이온교환막의 두께와 MCDI 공정에 대해 직접 비교한 연구는 없었다. 따라서 본 연구에서는 이온교환막의 두께에 따른 MCDI 공정에서의 흡착능을 측정함으로써 가장 최적화된 이온교환막의 두께를 알아보기 위해 비교 평가해보고자 한다.
막 결합형 축전식 탈염공정에서 흡착전압과 이온교환막 두께에 따른 흡착성능을 알아보기 위해 0.5, 1.0, 1.4 V의 흡착 전압 하에 비교 실험을 진행하였고, 이온교환고분자 두께에 따른 흡착성능 비교 실험에서는 탄소전극에 이온교환고분자 용액을 1, 2, 3회로 코팅을 하여 막의 두께를 달리하였다.