Performance of the membrane capacitive deionization (MCDI) process was investigated in terms of the salt removal efficiency (SRE) at the adsorption voltages higher than the water dissociation voltage of 1.5 V in accordance with the feed flow rate and concentration. The currents were measured for both CDI and MCDI for NaCl 100 mg/L solution and the currents and pH levels were also examined to discuss qualitatively for the distilled water at 3 V and 5 V. It was carried out to look into the SREs for the various di-valent and tri-valent metal salts according to voltages and concentrations. The SREs of 100% and 97.3% were obtained at the adsorption voltage 5 V for 300 and 500 mg/L, respectively. However the SRE decreased as the feed concentration increased. The SREs, 91%, 79% and 82.3%, were given for 500 mg/L feed solution of the di-valent metal salts, MgCl₂, MgSO₄, CaCl₂ in sequence.

물분해 전압으로 알려진 1.5 V보다 더 높은 흡착전압에서 막 결합형 축전식 공정의 성능을 염제거효율(salt removal efficiency)을 통해 조사하였다. 흡착전압을 1~5 V까지 알아보았는데 주로 3 V와 5 V에서 공급액의 농도와 유속 등에 대하여 자세히 조사하였다. 또한 NaCl 100 mg/L 용액에 대하여 축전식 탈염(CDI)과 막 축전식 탈염(MCDI)에 대해서 전류측정을 하였고 또한 증류수에 대하여 흡착전압 3 V와 5 V에 대해서 전류와 pH 측정을 하여 물분해 정도를 정성적으로 논하였다. 그리고 다양한 2가 및 3가 금속염에 대하여 흡착전압과 농도별로 염제거효율을 알기 위하여 수행하였다. 흡착전압이 5 V이었을 때 NaCl 농도 300 mg/L와 500 mg/L 용액에 대해서 각각 염제거효율 100%와 97.3%를 얻었으나 농도가 증가할수록 감소하였다. 또한 2가 금속염의 MgCl₂, MgSO₄, CaCl₂의 500mg/L 용액에 대하여 순서대로 91%, 79%, 82.3%의 높은 염제거효율을 얻었다.

Keywords: membrane capacitive deionization, water dissociation, salt removal efficiency, adsorption voltage

탈염기술에는 증발법, 증류법, 역삼투법, 전기투석법, 이온교환법 등이 있으며 이 중 해수담수화에 주로 이용되는 증발법과 역삼투법은 에너지 소비량이 높으며 기술의 성숙기 도달로 인하여 새로운 대체공정의 출현을 기대하고 있는 실정이다. 이에 1966년 Caudle 등에¹ 의해 처음으로 소개된 축전식 탈염(capacitive deionization; CDI) 기술은 전극에 외부로부터 전압이 인가되었을 때 전극-용액간 계면에 형성된 전기 이중층(electrical double layer)에 수용액 중 이온들이 흡착-탈착되는 원리를 이용한 기술이다.² CDI는 물의 양보다 이온들의 양이 현저히 적은 공급액으로부터 물 대신에 이온들을 제거하기 때문에 다른 어떤 현존하는 탈염기술보다 효율적인 것으로 기대된다. 또한 이온들이 직접적으로 표적이 되므로 더 높은 에너지 효율이 보장될 수 있다.^3,4 그리고 CDI는 고압과 고온을 위하여 사용되는 고압 펌프, 열 히터 등과 공정중 화학시약의 첨가가 없으므로 친환경 및 에너지 절약 공정이 될 수 있다.⁵ 그리고 대부분의 막분리 공정에서 치명적인 약점인 파울링 현상도 지속적인 고농도 용액의 형성이 없으므로 최소화시킬 수 있다. 그러나 CDI 운전 중 일어나는 전극에서의 불완전한 재생의 구조적 문제는 즉, 완전 탈착이 아닌 불완전 탈착 후 흡착공정으로 전환되어 결국 흡착 능력을 감소시키게 되며 이는 운전효율 저하와 에너지 소비의 상승을 이끌게 된다.^6-8
이 문제를 극복하기 위하여 기존의 CDI의 전극에 이온교환막을 결합한 형태의 전극을 사용하는 막 축전식 탈염(membrane capacitive deionization; MCDI) 기술을 Lee 등이⁶ 소개하였다. Lee 등은⁶ Tokuyama사(Tokyo, Japan)의 이온교 환막을 사용하여 92%의 염 제거율(salt removal efficiency)을 얻었으며 CDI에 의한 것보다 19% 향상된 결과를 보여주었다. Moon 등은⁹ 설폰화 및 아민화된 폴리페닐렌옥사이드(polyphenylene oxide, PPO)를 전극 위에 직접 코팅하는 방식과 이온교환막을 전극과 공급액 사이에 끼워 넣는 방식을 100 mg/L NaCl 용액에 대하여 염 제거율을 이용하여 비교한 결과 CDI가 79.1%, 끼워 넣는 방식은 9.23% 그리고 직접 코팅하는 방식은 83.4%를 얻어 직접 코팅의 방식이 가장 좋음을 알 수 있었다. 이 외에도 많은 연구자들이 양이온 및 음이온 교환 고분자를 이용하여 염용액에 대한 MCDI 연구를 많이 진행하였다.^10-14
CDI 운전에서 흡착전압은 보통 물이 전기 분해되는 1.5 V 이하에서 운전한다고 알려져 있어⁶ MCDI를 통한 효율 향상을 이룬다고 하여도 염 제거율을 크게 향상시키기는 매우 어렵다. 따라서 효율 향상을 증가시키기 위해서는 흡착전압을 물 분해 전압보다 높은 전압에서 운전하면 좋은데 이는 다음과 같은 반응에 의해서 높은 전압에서의 운전을 제한한다.



생성된 소석회는 전극 또는 이온교환막 표면에 쌓여 공정의 효율을 크게 떨어뜨리게 된다. 그러나 이와 같은 CDI의 제약 때문에 물 분해 전압 이상에서 CDI의 효율을 측정해 본적이 없다. 따라서 소석회의 생성을 억제할 수 있다는 가정에서 흡착전압을 높여 CDI의 효율을 측정함으로써 CDI 공정이 염 농도가 얼마나 높은 농도까지 적용이 가능한 공정인가를 알아 볼 필요가 있다.