1. 서 론

물의 재사용 혹은 담수화 기술 중 가장 널리 알려져 있고 간단하게 깨끗한 대량의 물을 생산할 수 있는 증 발법은 막대한 화석에너지의 사용으로 우리가 사용할 수 있는 화석연료의 낭비와 환경오염이라는 큰 문제가 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 태양열을 이용한 증발법이 고안되었는데, 이는 일조량이 좋은 지역에 한 해서만 사용이 가능하며 화석연료를 사용하는 것보다 는 시간당 생산량이 부족하다[1]. 역삼투법은 막을 사이 에 두고 해수에 삼투압 이상의 압력을 가해 막을 통하 여 순수한 물만 분리해내는 방법으로 증발법에 비해 에 너지 소모가 낮으며 비교적 간단한 방법이지만 장시간 운전시 막 표면이 오염되는 파울링(fouling) 현상에 의 해 일정기간 운전 후 세정을 해주어야 한다. 이러한 파 울링으로 인한 물리화학적 세정 때문에 막의 수명이 짧 으며 높은 처리수 유량을 얻기 위해서는 에너지 소모가 크다는 단점이 있다[2-4]. 이러한 단점을 보완하기 위해 막 표면의 개질에 대한 연구와 막 소재에 대한 연구가 국내외로 진행되고 있다. 증발법과 함께 일찍이 고안된 기술 중 하나인 전기투석법과 원리가 동일한 축전식 탈 염공정(capacitive deionization, CDI)은 반대되는 전위 를 인가한 두 전극 사이로 물을 통과시켜 물 안에 있는 이온들을 그와 반대되는 전하를 띠는 전극에 흡착시키 는 방식을 이용하며 전극이 이온에 의해 포화가 되면 반대인 전위를 가해주어 이온들을 탈착시켜 재사용이 가능하다[5-11].

축전식 탈염공정은 표면적이 넓은 전극을 사용하는 데, 표면적이 넓으면서 전기전도도 또한 준수한 탄소소 재를 주로 사용한다. 전극의 대표적인 소재로는 활성탄, 카본 에어로젤, 규칙된 중형 다공성 탄소, 카본 나노 튜 브나 그라핀, 활성탄소섬유 등을 사용할 수 있다. 활성 탄은 산업 분야에서 가장 널리 쓰이는 흡착제로 나무를 원료로 사용하여 제조한다. 800°C 이하의 낮은 온도에 서 탄화된 후 950~1000°C 사이에서 활성화 시키거나, 화학적으로 활성화된 다음 저온에서 탄화될 수 있다. 제조가 간단하기 때문에 가격이 저렴한 것이 장점이다. 카본 에어로젤은 1990년대부터 Farmer[12] 등에 의해 축전식 탈염공정에 적용할 전극으로 연구되었다. 레조 르시놀과 포름 알데히드의 졸-젤 중합으로 시작되며 RF 에어로젤이라 불리는 전구체를 형성하게 된다. 불 활성 분위기 하에서 600-1100°C의 온도로 열분해 하면 카본 에어로젤이 생성된다. 표면적이 400-1000 m²/g, 전기 전도도는 10-100 S/cm로 상당히 뛰어나다[13]. 규 칙된 중형 다공성 탄소(Ordered mesoporous carbons : OMCs)는 Ryoo[14] 등이 처음으로 제조한 것으로 알려 져 있으며, 매우 규칙적인 50 nm 이하의 기공을 가진 다. 그라핀은 한 원자 두께로 탄소가 정육각형 패턴으 로 배열된 구조로 전자이동도가 200,000 cm²/V⋅s에 달하여 전기 전도성이 매우 우수하며 구조가 단일 원자 층이기 때문에 이론적인 표면적이 2,360 m²/g이며 그라 핀 시트의 개방 구조는 이온의 흡착 및 탈착을 용이하 게 한다. 그라핀을 원통형으로 만든 것이 탄소나노튜브 이다[15]. 활성탄소섬유는 섬유상에 존재하는 미세기공 이 10 Å 이하로 비표면적이 크고 흡착 용량과 성능이 우월하다. 섬유의 특징을 그대로 가지고 있으며, 기상흡 착 혹은 수처리 분야에 적용이 가능하다[16,17].

본 연구에서는 활성탄소섬유를 이용하여 축전식 탈 염공정에 적용할 탄소전극의 제조법을 연구하였다. 고 분자 바인더를 용매에 녹인 후 활성탄소섬유를 분쇄하 여 첨가하는 방법으로 슬러리를 만든 후 카본 그라파이 트에 캐스팅한다. 그 다음 상전이 과정을 거쳐 기공을 가지는 다공성 탄소전극을 제조하였다. 제조된 전극은 실제 축전식 탈염공정에 적용하여 제조 조건, 실험 조 건에 따른 염 제거율을 분석하였다.

2. 실 험

2.1. 시약 및 재료

탄소전극을 제조하기 위해 poly(vinylidene fluoride) (PVdF, Alfa Aesar)를 고분자 바인더로, N,N-dimethylacetamide (DMAc, JUNSEI, Mw 87.12)를 용매로 사 용하였다. 활성탄소섬유(활성탄소섬유, Fitch계 BET 1200)는 GS사에서 제공받았으며 분쇄하여 사용하였다. 초 순수는 Younglin Pure Water System (Seoul, Korea) 으로 직접 생산하였다. 카본 그라파이트는 Pureechem 사의 제품을 사용하였으며, 공급액은 sodium chloride (Samchun)를 Younglin instrument사의 Aquamax basic 360으로 직접 생산한 초 순수에 용해시켜 제조하였다.

2.2. 활성탄소섬유 전극 제조

PVdF를 용매인 DMAc에 넣어 상온에서 충분히 교반 하여 녹인다. 그 다음 분쇄한 활성탄소섬유를 체로 걸 러주어 원하는 비율에 맞게 첨가하여 교반하였다. 활성 탄소섬유 슬러리를 카본 그라파이트에 100 μm 두께로 캐스팅한 후 증류수에 침지시켰다. 그 다음 80°C의 진 공오븐에서 유기용매와 수분을 제거하여 다공성 활성탄 소섬유 전극을 제조하였다. 분쇄한 활성탄소섬유의 크 기와 전극 제조 시 배합 비율은 Table 1에 표기하였다.

2.3. 축전식 탈염 실험

Fig. 1과 같은 방식으로 실험 공정을 설치하였다. 제 조한 전극을 유효면적이 100 cm²인 정육각형 모양으로 잘라 사용하였다. 양 전극 사이의 격벽 역할을 하며 공 급수의 흐름을 원활하게 해주기 위한 약 90 μm의 두께 인 nylon spacer를 삽입하였고 공급수는 Masterflex (German)사의 L/S pump를 이용하여 일정한 유량으로 공급해주었다. 공급액은 펌프를 통해 셀의 유입구로 들 어가 전극과의 상호작용을 통해 흡착, 탈착을 하며 중 앙의 배출구로 나오게 하였다[18]. Potentiostat WPG 100 (WonATech, Korea)를 이용하여 일정한 시간동안 전위를 인가하였으며, 배출구로 나오는 처리수와 배출 수는 TDS conductivity meter (iSTEK, Korea)를 사용하 여 2초마다 데이터를 측정해 컴퓨터에 기록하였다. 실 험은 0.5, 1.0, 1.2 V의 흡착전압과 1, 3, 5, 7분의 흡착 시간, -0.1, -0.3, -0.5, -1 V의 탈착전압과 1, 3, 5, 7분 의 탈착시간, 15, 25, 35 mL/min의 공급액의 유량과 100, 200, 300, 500 mg/L의 공급액의 농도를 변수로 진 행하였다.

다음 식 (1)로부터 염 제거 효율을 계산하였다[16,19].

이때, C O 는 공급액의 초기 TDS, C f 는 배출된 용액 의 최저 TDS 수치이다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 활성탄소섬유의 입자크기, 배합비율에 따른 염 제거 효과 비교

전극을 제조하는데 사용한 활성탄소섬유의 입자크기 와 소재의 배합 비율은 Table 1에 표시하였다. 공정조 건은 흡착전압 1 V, 시간 3분, 탈착전압 -0.1 V, 시간 1 분으로, NaCl 100 mg/L의 공급액을 분당 15 mL로 공 급해주었다. 결과는 Fig. 2에서 확인할 수 있다.

바인더고분자와 활성탄소섬유의 합과 용매의 비는 2 : 8로 고정하였고 바인더고분자와 활성탄소섬유의 비율 을 1 : 9, 1 : 3로 달리하였으며 활성탄소섬유의 입자크 기가 32~53 μm인 것과 32 μm 이하인 것으로 구분하 여 총 4가지의 전극을 제조하여 테스트하였다.

활성탄소섬유의 입자 크기가 동일할 때, C1은 52.5%, C2는 34.7%로 활성탄소섬유의 비율이 더 높은 전극의 염 제거 효율이 좋았으며, 소재의 배합 비율이 동일할 때, C1은 52.5%, B1은 22.1%로 활성탄소섬유 의 입자의 크기가 작은 전극의 염 제거 성능이 좋은 것 을 확인하였다. 이는 흡착제인 활성탄소섬유의 함유량 이 증가할수록 흡착할 공간이 늘어났으며 활성탄소섬 유의 크기가 작을수록 비표면적이 늘어나 염 제거효율 이 상승한 것으로 사료된다. 염 제거 효율이 가장 좋은 C1 전극을 선정하여 실험을 진행하였다.

3.2. 흡착전압 및 시간에 따른 염 제거 효과 비교

우선 흡착전압에 따른 염 제거 효과를 살펴보기 위하 여 흡착시간은 3분으로 탈착전압과 시간은 -0.1 V, 1분 으로 고정한 후 흡착전압을 0.5, 1.0, 1.2V로 변화를 주 어 실험을 하였다. 공급액은 100 mg/L의 NaCl을 사용 하였으며 그 결과는 Fig. 3에서 확인할 수 있다.

흡착전압이 0.5, 1.0, 1.2 V로 증가함에 따라 염 제거 효율은 15.6, 52.2, 53.6%로 증가하였다. 전위의 절댓값 이 증가한다는 것은 정전기적 인력이 증가한다는 것이 므로 동일한 시간에 강한 인력이 작용할수록 많은 양의 이온을 끌어당겨 흡착시킬 수 있다는 것을 의미한다. 1.0 V와 1.2 V에서는 염 제거효율이 크게 상승하지 않 은 것을 확인할 수 있는데 이는 일정 전압 이상에서는 이미 전극의 흡착성능을 다 소진하여 더 높은 전압을 가 해주는 것이 큰 의미가 없다는 것으로 사료된다. 1.5 V 의 전압에서는 물의 전기분해반응이 일어나므로 흡착전 압은 1.2 V로 고정하고 탈착전압과 시간은 -0.1V, 1분, 공급액 역시 100 mg/L의 NaCl 수용액을 사용하며 흡착 시간을 1, 3, 5, 7분으로 변화를 주어 실험을 하였다.

Fig. 4를 보면 흡착시간이 1, 3, 5, 7분으로 늘어남에 따라 염 제거효율은 52.86, 53.6, 47.3, 43.47%로 증가 하다가 감소하는 모습을 보이는데 이는 -0.1 V, 1분의 탈착조건에서는 3분의 흡착시간동안에 흡착한 이온들 을 충분히 탈착할 수 있지만 5, 7분의 흡착시간동안 흡 착된 이온들은 탈착을 하여도 전극에 흡착되어있는 이 온들이 아직 남아있기 때문에 다음 흡착 사이클에서 이 온들이 흡착할 공간이 충분하지 않아 염 제거효율이 떨 어진 것으로 사료된다.

3.3. 탈착전압 및 시간에 따른 염 제거 효과 비교

이번에는 탈착전압과 염 제거효율간의 상관관계를 알아보고자 하였다. 흡착조건은 1.2 V, 3분, 탈착시간은 1분으로 100 mg/L 농도의 NaCl수용액을 분당 15 mL 로 공급하였으며 탈착전압을 -0.1, -0.3, -0.5, -1.0 V로 변화를 주어 실험을 진행 하였다.

Fig. 5를 보면 -0.1, -0.3, -0.5, -0.7 V에서의 염 제거 율은 53.6, 46.97, 46.51, 44.8%로 감소하는 경향을 보 였다. 이는 -0.1 V의 탈착전압만으로도 충분한 탈착이 이루어지는 것으로 사료된다.

앞서 실험한 결과로 1.2 V, 3분의 흡착전압과 시간, -0.1 V의 탈착전압, 공급액은 NaCl로 100 mg/L의 농도 와 15 mL/min의 유량을 기준으로 탈착시간을 1, 3, 5, 7분으로 변화를 주어 실험을 진행하였다.

Fig. 6에서 탈착시간을 1, 3, 5, 7분으로 증가시킬수 록 염 제거율은 53.6, 46.2, 43.4, 37.71%로 감소하였으 며 이는 탈착전압을 변화시켰을 때와 비슷한 결과임을 확인할 수 있다. 이는 본 연구에서 제작한 카본전극은 – 0.1 V의 낮은 전위의 전압과 1분의 짧은 시간만으로도 충분한 탈착이 되어 원활하게 염 제거를 수행할 수 있 는 것으로 판단된다.

3.4. 공급액의 유량에 따른 염 제거 효과 비교

훕착조건은 1.2 V, 3분으로 탈착조건은 -0.1 V, 1분 으로 설정하고 공급액은 역시 NaCl 100 mg/L의 수용 액을 사용하며 유량을 15, 25, 35 mL/min으로 변화를 주어 탈염실험을 진행하였다.

Fig. 7에서 공급액의 유량을 15, 25, 35 mL/min으로 증가시켰을 때 염 제거율은 53.6, 22.4, 19.5%로 감소함 을 확인할 수 있다. 이는 유량을 제외한 다른 조건이 모두 동일할 때 공급액의 유량을 증가시키면 공급액 속 의 이온들이 전극의 표면에서 전극과 상호인력이 작용 하는 시간이 줄어들고 반대로 유량을 감소시키면 공급 액의 전극 표면에서의 체류시간이 길어지기 때문에 이 온교환이 훨씬 수월할 것으로 사료된다. 또한 전극의 유효면적이 한정적이기 때문에 높은 유량에서는 시간 당 처리할 공급액의 양이 많아져 염 제거 효율은 당연 히 감소한 것으로 판단된다.

3.5. 공급액의 농도에 따른 염 제거 효과 비교

마지막으로 공급액의 NaCl의 농도를 변수로 하여 실 험을 진행하였다. 흡착은 1.2 V, 3분, 탈착은 -0.1 V, 1 분, 공급액의 유량은 15 mL/min으로 고정한 다음 공급 액의 NaCl 농도를 100, 200, 300, 500 mg/L으로 변화 하여 실험을 진행하였다.

Fig. 8에서 볼 수 있듯이 공급액의 농도를 100에서부 터 500 mg/L까지 변화시켰을 때 염 제거율은 53.6, 30.1, 18.83, 18.2%로 감소하였다. 이는 전극의 유효면 적 내 흡착용량은 한정되어있기 때문에 이온의 농도가 짙은 공급액을 탈염할 때에 염 제거 효율이 감소한 것 으로 사료된다.

4. 결 론

본 연구에서는 축전식 탈염공정에 적용할 탄소전극 을 활성탄소섬유를 이용하여 제조한 후 공정에 적용하 여 염 제거 효과를 관찰하였다. 용매와 고분자 바인더 그리고 활성탄소섬유를 80 : 2 : 18, 80 : 5 : 15의 배합 비율로 활성탄소섬유의 입자크기를 달리하여 용액을 제조한 후 상용화된 그라파이트 시트에 직접 캐스팅 하 여 염 제거 성능을 평가하였다. 공정 조건은 흡착전압, 흡착시간, 탈착전압, 탈착시간, 공급액의 유량 그리고 공급액의 농도를 변화하여 실험하였다. 그 결과 다음과 같은 결론이 도출되었다.