| 초록 |
1. 개요 인구 증가와 수자원 오염으로 지구상에는 인간이 사용할 수 있는 깨끗한 물이 점차 감소함에 따라 지하수와 해수를 담수화하여 음용수로 이용하고자 하는 노력이 지속되고 있고, 하수처리수를 공업용수로 재이용하는 시도도 계속되고 있다. 담수화와 하수처리수의 공업용수 재이용에서 가장 중요한 처리 공정 중 하나가 수중에 존재하는 이온 성분을 제거하는 것이며, 이를 탈이온화 또는 탈염(desalination)이라고 한다. 깨끗한 물에 대한 수요가 증가하면서 지난 수십 년간 탈염(또는 담수화) 기술 개발도 활발하게 이루어졌다. 대표적인 탈염 기술로는 역삼투, 전기투석, 다단 플래시, 다중효용, 증기압축, 막증류 등이 있다. 언급된 기술들은 주로 해수담수화에 이용되는 기술이며, 이온물질의 농도가 낮은 기수(brackish water)의 담수화에 적용할 경우 처리비용이 많이 소요되는 단점이 있다. 따라서 기수를 경제적으로 처리하는 방법에 대한 연구 또한 담수화 기술 개발과 함께 진행되었으며, 최근 축전식 탈염(capacitive deionization; CDI) 기술이 관심을 받고 있다. Figure 1. CDI 기술의 탈염과 재생 공정[1] CDI는 Figure 1과 같이 두 개의 다공성 탄소전극에 서로 다른 전하를 적용하여 수중의 이온물질을 제거하는 기술이다. 두 전극의 전하에 따라 원수에 존재하는 음이온(anion)은 양극(anode)에, 양이온(cation)은 음극(cathode)에 흡착된다. 탄소전극에 흡착된 이온들은 각 전극에 반대 전하를 적용하여 탈착시킨 후 배출한다. CDI는 이렇게 전극의 전하를 계속 바꿔주면서 이온물질의 흡착(탈염)과 탈착(재생)을 반복하면서 수중의 이온물질과 전하를 띠는 물질을 제거하는 기술이다. 탈염 기술로서 CDI는 다음과 같은 장점이 있다. CDI는 상온에서 낮은 압력과 저전압(~1.2V)으로 운전이 가능하므로 역삼투(reverse osmosis; RO)와 같이 높은 압력을 요구하지 않고 증류 기술에 필수적인 열원도 필요 없다. 또한 CDI는 이온물질을 직접 원수에서 제거하므로 에너지효율이 우수하다(RO와 증류 기술은 물을 추출하는 방식). 마지막으로 CDI에 전하를 적용하면 이온물질이 제거됨과 동시에 고용량의 콘덴서(supercapacitor)와 같이 CDI 전극에 전기가 충전된다. 비록 CDI에 충전된 전기를 직접적으로 사용하지 않지만 이론적으로는 이온물질의 탈착 시 방전되는 전기의 사용이 가능하다. 이러한 특징으로 인하여 CDI 기술은 기수, 해수, 하수처리수의 탈염과 연수화에도 적용이 되고 있으며, 이외에도 다양한 분야에서 이온물질 제거를 위해 연구가 진행되고 있다. CDI 기술을 이해하기 위해서는 이온물질의 제거 기작, 전극의 종류, 운전 방법(정압 또는 정류 운전), 본 기술의 한계, 경제성 등을 추가적으로 다루어야 한다. 그러나 지면의 한계로 인하여 본 리포트에서는 CDI 형태와 성능평가 인자, 그리고 적용분에 대해서만 간략하게 다루었고, 추후 코센리포트를 통해 계속해서 CDI 기술과 연구 동향을 소개하고자 한다. 본 분석자는 아직 CDI 전문가라고 할 수 없다. 현재 국책연구과제를 통해 CDI를 적용을 위해 lab과 pilot test를 수행하고 있으며, 이러한 과정에서 기존 논문 검토와 실험으로 습득한 노하우를 코센리포트를 통해 독자들과 공유하고자 한다. 2. CDI 형태 CDI는 전극의 위치와 원수(feed)의 흐름 방향에 따라 다양한 형태(architecture)로 구성이 가능하다. 가장 일반적인 CDI는 두 개의 다공성 탄소전극이 일정한 간격으로 떨어져 있고 그 사이를 원수가 흐르는 형태이다(flow-by CDI, Figure 2A). 이러한 형태는 전기장의 직각 방향으로 원수가 흐르는 형태이다. 또 다른 형태의 CDI에서는 원수가 다공성의 탄소전극을 직접 통과하도록 구성되며, 이때는 원수의 흐름은 전기장과 평행이다(flow-through CDI, Figure 2B). Flow-through CDI는 flow-by CDI와 비교했을 때 전극 사이의 원수가 흐르는 공간이 필요 없기 때문에 조밀한 구성이 가능하고, 원수가 탄소전극을 통과하기 때문에 흡착효율이 높다는 장점이 있다. Flow-by CDI에서 원수와 접촉하는 탄소전극 표면에 이온교환막을 부착한 membrane CDI(MCDI)는 2006년 최초로 과학적인 증명이 이루어졌다[3]. MCDI에서 음극은 양이온 교환막, 양극에는 음이온 교환막을 부착하여 탈염 효율을 향상시킨 것이 특징이다(Figure 2C). 최근에는 슬러리로 된 탄소전극을 CDI의 전극 부분으로 주입하는 flow-electrode CDI(FCDI)도 개발되었다(Figure 2D). Figure 2. CDI의 형태[2] FCDI는 슬러리로 된 탄소전극을 음극와 양극 부분에 계속적으로 흘려주기 때문에 다른 CDI와는 다르게 흡착된 이온물질의 탈착 공정이 필요 없다. 따라서 연속 탈염이 가능하고, 이러한 특성으로 인하여 고농도 원수를 처리할 수 있다. CDI는 충전과 방전이 반복되고 비교적 낮은 전압(~1.2V, 1.3V 이상의 전압에서는 물의 전기분해가 발생하여 탈염 효율 감소)을 이용하기 때문에 고염의 원수 처리가 어려운 단점이 있었지만, CDI의 형태 변화를 통해 단점을 일부 극복할 수 있다. 이에 따라 최근에는 FCDI 관련 연구가 많이 진행되고 있으며[4], 추후 코센리포트를 통해 자세히 알아볼 예정이다. 3. CDI 성능지표 3.1. Maximum salt adsorption capacity Salt adsorption capacity(SAC)는 충전-방전 주기에서 탄소전극에 흡착되는 이온물질의 총량이며, maximum SAC(mSAC)는 SAC가 평형을 이루었을 때의 흡착량을 의미한다. SAC와 mSAC는 원수에서 제거된 이온의 중량(mg)을 탄소전극의 건조중량(g)으로 나누어 산정하며, 이를 gravimetric SAC라고 한다. 이때 탄소전극의 중량은 다공성의 탄소 입자뿐만 아니라 이를 연결하는 binder와 다른 부속물질들도 포함하는 것이 일반적이다. 또한 탄소전극의 단위부피당 이온물질 흡착량을 나타내는 volu-metric SAC도 함께 고려하여야 한다. 부피당 탄소의 중량이 적은 경우, 더 많은 부피의 탄소전극이 필요하기 때문이다. 3.2. Average salt adsorption rate Average salt adsorption rate(ASAR, mg g -1 min -1 )는 시간당 탄소전극에 흡착된 이온물질의 양으로 정의된다. 앞서 설명한 mSAC가 탄소전극에 흡착된 이온의 양을 말한다면, ASAR은 충전 또는 충방전 시간 동안 탄소전극에 흡착된 이온의 총량을 의미한다. ASAR값은 충전 시간이 짧고 원수의 농도가 높으며, 전극의 두께가 얇을수록 크다. 이외에도 ASAR은 CDI의 다양한 운전인자(예를 들어, 전압 등)에 영향을 받으므로 CDI의 운전인자를 반영한 지표라고 할 수 있다. 따라서 ASAR값은 CDI의 운전 조건과 함께 제시되어야 한다. 2013년 MCDI를 이용한 실험에서 보고된 ASAR값은 2.3 mg g -1 min -1 였으며[5], 이를 이용하여 이온 농도가 약 35,000 mg/L인 해수를 처리하기 위해 필요한 탄소전극 양을 계산한 결과, 약 7,600kg이 필요한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 앞에서도 서술하였듯이 CDI는 고염의 원수를 처리하기에는 아직 부적합하며, 향후 이의 처리가 가능한 CDI 기술 개발이 필요하다고 할 수 있다. 3.3. Charge efficiency Charge efficiency(충전효율)는 CDI 충전 시 두 개의 전극 사이에 축적된 전하량(moles) 대비 흡착된 이온물질의 양(moles)의 비율이며, Lambda; (lamda)로 표시한다. Lambda; 는 전압과 원수에 존재하는 이온물질의 함수이며, 일반적으로 전압이 높을수록, 원수의 농도가 낮을수록 증가한다. Lambda; 는 CDI의 성능을 평가하는 데 중요한 인자로 사용된다. 예를 들어, CDI에 운영에 필요한 전력량은 Lambda; 로 결정되며, Lambda; 값이 높을수록 전력소비량이 적다. MCDI와 flow-by CDI의 Lambda; 를 비교하면, MCDI가 약 20 #37; 정도 높다. |
