1. 서 론

산업화와 기술이 날마다 발전함에 따라 전 세계적으 로 물 부족 현상이 나타나고 있으며 물 부족 현상은 전 세계에서 심각한 문제를 발생시키고 있다[1]. 해수는 지 구상에서 97%의 비율을 차지하고 있고 인간이 쓸 수 있는 물은 실제로 2%로 제한되어 있다. 이로 인해 선 진국들은 해수를 이용해 실생활에 쓸 수 있는 담수로 전환하는 탈염 공정 기술을 연구에 힘을 쏟고 있는 추세 이다[2,3]. 현재 알려진 탈염 공정 기술로는 증류 공정 과 역삼투막 공정들이 있다. 탈염 공정 기술 중 하나인 축전식 탈염(capacitive deionization, CDI) 기술은 추가 적인 화학물질에 대한 오염의 여지가 없고 친환경적인 기술로 떠오르고 있다[4].

축전식 탈염 공정의 기술의 기본적인 원리는 다공성 탄소 전극의 이중층을 사용해서 탈염하고자 하는 유체 를 사이에 흐르게 하여 정전기적 전위차를 가해주는 공 정이다. 다른 기술보다 낮은 전위차를 인가하여 유체 속에 포함되어 있는 양이온과 음이온을 하전 된 탄소전 극을 이용하여 분리하는 흡착 공정을 이루게 하며 다시 역 전위를 가해주어 탄소전극에 흡착된 이온들을 표면 으로부터 제거하는 탈착 공정이 이루어진다[5-7]. 이를 통해 축전식 탈염 공정 기술은 연속적으로 공정이 이루 어지는 흐름성 공정을 유지할 수 있다. 기본적인 탄소 전극의 구성요소는 다공성 탄소막, 스페이서로 구성되 어 있는데 이 중 스페이서는 두 탄소전극 사이에 위치 하여 전극이 접촉하지 않게 만들어준다[8,9].

하지만 흡착하고 다음의 과정인 탈착을 할 때 이미 흡착된 이온들이 완전히 탈착되지 않아 모듈 내의 전극 에 남아있게 되고 다시 흡착하면 남아있는 이온들로 인 해 탈염 효율이 낮아지는 단점이 존재한다[10-13]. 흡착 효율을 높이기 위해 전극에 인가하는 전위차를 높이는 방법이 있지만 일정한 전압 이상에서는 물의 전기분해 가 일어날 수 있으므로 전압을 높이는 것은 제약이 따 른다[14].

축전식 탈염 공정의 단점을 보완하기 위해 최근에는 다양한 공정 모듈의 디자인을 통하여 축전식 탈염 공정 의 탈염 제거효율을 향상하는 방향으로 연구가 진행되 어 있다. 본 연구에서는 기존 축전식 탈염 공정에 분할 전극의 개념을 도입하여 CDI의 성능을 향상하는 것을 목적으로 하는 분할 전극 CDI를 개발하였다. 분할 전 극 CDI란 일반 CDI에서 사용하는 1개의 전극 site를 2 개 이상으로 나눠 축전식 탈염을 하는 방법이다. 이에 따라 본 연구에서는 대면적을 지니는 축전식 탈염 공정 에 적합한 모델을 찾기 위해 다공성 탄소전극의 가운데 에 빈 공간을 둠으로써 분리 횟수를 늘리는 방향으로 연구를 진행하였으며 육각형 모듈의 분할 전극을 통해 서 성능향상이 이루어지는지 확인하였고 이를 다시 면 적이 더 큰 직사각형의 모듈에 적용하여 성능향상의 여 부를 실험했다.

2. 실 험

2.1. 시약 및 재료

본 실험에서 사용된 sodium chloride는 삼전의 제품을 사용하였다. 초순수는 영린(한국)의 Water Purification System AquaMAX^TM를 이용하여 생산된 초순수를 사 용하였으며 전극은 퓨리캠(한국)에서 상용화된 다공성 탄소전극을 구매해 사용하였다. 공급수를 모듈에 주입 하기 위해 연동펌프(Masterflex, model 7519-06)를 사용 하였다.

2.2. 실험 공정과 분할전극의 제작

유로 모양에 따른 CDI 모듈 중 유체의 흐름이 가장 좋은 정육각형의 모양의 전극을 선택했다[14]. 실험의 공정도를 Fig. 1에 나타내었으며 (a)는 배출수 비커, (b) 는 total dissolved solids 측정기, (c)는 컴퓨터, (d)는 공 급수 비커, (e)는 펌프, (f)는 분할 전극 모듈, (g)는 potentiostat를 나타낸다. 양 전극 사이에는 접촉을 막아줄 수 있는 약 100 μm의 두께의 Nylon spacer를 삽입하였 다. Fig. 2와 3에서 보는 바와 같이 실험에 사용된 탄소 전극의 모양을 디자인하였다. 정육각형 형태의 cell 에서 분할되지 않은 전극의 유효면적은 146 cm²이며 1 cm 의 간격을 둔 분할 전극은 133 cm²이고, 2 cm의 간격 을 둔 분할전극은 120 cm²이 되도록 제작하였다. 또한 가로로 긴 육각형 형태의 cell에서 분할되지 않은 전극 의 유효면적은 200 cm²이며 2 cm의 간격을 둔 분할전 극은 180 cm²으로 제작하였다.

2.3. 분할 전극 축전식 탈염 시험

공급액은 연동펌프를 이용하여 20 mL/min의 일정한 유속으로 공급하였다. Fig. 2와 3에서 확인할 수 있듯이 공급액은 셀의 왼쪽 구멍으로 들어간 후 오른쪽의 구멍 으로 배출되도록 하였다. Potentiostat (WonATech co. WPG 100)를 이용하여 전압을 인가하였다. 오른쪽의 구멍으로 나온 용액을 TDS conductivity meter (Istek. EC-470L)을 이용하여 2초마다 측정하여 실시간으로 컴 퓨터에 기록하였다. 탈염 효율은 다음 (1)식으로 계산하 였다.

이때, C₀는 공급액의 초기농도이며 C _e 는 배출된 용액 의 탈착 시 배출된 평균농도이다.

3. 결과 및 토론

3.1. 정육각형 cell에서 분할되지 않은 전극과 분할간격 이 조정된 전극과의 탈염 성능 비교

전류밀도는 전극의 단위면적당 전류의 크기로 정의 되며 A/m2 또는 mA/cm² 등으로 표시된다[15]. 일정한 전류가 가해질 때 면적이 줄어들수록 전류밀도는 증가 하여 탈염 효율이 향상될 것으로 판단된다. 따라서 본 실험에서는 흡착 조건을 1.2 V, 3분, 탈착 조건을 -1 V, 1분으로 설정하였으며 공급액은 평균 106 mg/L의 농 도, 유량 20 mL/min으로 고정하여 실험을 진행하였다.

분할 전극은 탄소 전극의 가운데에 간격을 둠으로써 공정을 1회 통과할 때 분리횟수를 두 번으로 늘려 탈염 효율을 증가시키는 방법이다. Fig. 4에 배출수의 농도 그 래프를 나타내었다. Fig. 4(a)~(c)는 간격이 각각 0~2 cm 일 때 그래프이며 탈염 효율은 각각 40, 57, 49%로 분 할된 전극의 탈염 효율 더 좋았고 그 중 유효면적이 증 가할수록 탈염 효율이 증가한 것으로 나타났다.

분할되지 않은 전극과 2 cm의 간격을 둔 분할 전극 에서의 효율을 비교했을 때 유체가 흐르는 유효면적이 146 cm²에서 120 cm²로 26 cm² 줄어들었지만 탈염 효 율은 40%에서 49%로 향상되었다. 이는 2번의 분리와 일정한 전류 하에 유효면적이 줄어들어 각 구간의 전류 밀도가 증가하여 탈염 효율이 증가한 것으로 사료된다.

분할 전극에서 유효면적의 증가에 따른 탈염 효율의 경향성을 확인해 보기 위해 1, 2 cm의 간격을 둔 분할 전극의 효율성을 비교하였다. 분할 전극에서 유효 면적 이 120 cm²에서 133 cm²로 증가하면서 49%에서 57% 로 탈염 효율이 증가한 것으로 확인되었다.

3.2. 정육각형 cell에서 분할된 양편의 탈염제거 성능과 분할된 전체 전극의 탈염성능 비교

분할 전극의 A와 B site에서 비슷한 탈염 효율을 보 이는지 분할된 전체구간과 비교하여 탈염 효율을 확인 해보고자 한다. Site의 탈염 효율을 확인하기 위해 A, B site, 분할된 전체 구간으로 3가지 실험을 진행하였으 며 1 cm의 간격을 둔 cell로 실험을 진행하였다. A site에 서 처리된 용액을 B site에서 한 번 더 처리하고 나온 효율을 알아보기 위해 B site에 들어오는 농도를 다음 과 같은 (2)식을 사용하여 알아내었다.

여기서 C_B는 B site에 들어가는 용액의 초기농도, C_A 는 A site에 들어가는 용액의 초기농도, η_A은 A site에서 나타난 효율(%)이다. 실험결과를 Fig. 5에 나타내었다. A site의 탈염 효율은 26.7%이고 B site는 27.4%로 각 구간 비슷한 탈염 효율을 보였다. 또한 분할된 전체 전 극인 A와 B site에 전압을 동시에 걸었을 때 탈염 효율 은 56.0%로 확인되었으며 독립적인 A와 B site의 효율 을 각각 더한 것 값인 54.1%와 비교하여 비슷한 탈염 효율을 나타내었다.

3.3. 유효면적이 증가된 가로로 긴 육각형 cell에서 성능 비교

유로의 세로 길이는 유지한 채 유로의 가로 길이만 늘여 유효면적이 더 넓어진 가로로 긴 육각형 cell에서 탈염 효율을 비교 분석하였다. Fig. 6에 배출수의 농도 그래프를 나타내었다. Fig. 6(a), (b)는 각각 간격이 0, 2 cm일 때 그래프이며 유효면적은 각각 200 cm², 180 cm²이고 탈염 효율은 각각 29, 47%로 나타났다. 면적 이 증가된 가로로 긴 육각형 cell에서 분할 전극을 사용 한 모듈이 상대적으로 탈염 효율이 더 높게 나왔다.

2 cm의 간격을 둔 유효면적 180 cm²의 분할전극과 2 cm의 간격을 둔 유효면적 120 cm²인 분할 전극을 비교 했을 때 탈염 효율이 각각 47, 49%이며 전류밀도는 각 각 0.31, 0.49 mA/cm²로 나타났다. 이러한 결과는 일정 한 전류 하에서 면적이 감소함에 따라 전류밀도가 높아 져 탈염효율이 증가된 것으로 사료된다.

4. 결 론

본 연구에서는 축전식 탈염 공정에 분할 전극을 적용 하여 탈염 효율을 증가시키고자 하였다. 설계된 모듈의 성능 분석하기 위해 유효면적을 다르게 하고 공급액으 로 100~120 mg/L의 NaCl 수용액을 사용했으며, 흡착 조건 1.2 V, 3분, 탈착조건 -1 V, 1분, 유량 20 mL/min 으로 고정하여 실험을 진행하였다. 정육각형 cell과 가 로로 긴 육각형 cell에서 탈염 효율을 비교했을 때 분할 된 전극의 탈염 효율이 분할되지 않은 전극보다 높았 다. 또한 분할 전극 모듈에서 간격이 좁아질수록 탈염 효율이 증가하였다.

2 cm 간격의 분할 전극을 도입한 정육각형 cell과 가 로로 긴 육각형 cell에서 유효면적이 넓은 것의 탈염 효 율이 더 낮은 것을 확인할 수 있었다. 이는 일정한 전 류 하에 유효면적이 늘어남에 따라 전류 밀도가 감소하 여 탈염 효율에 영향을 미친것으로 판단된다. 위의 결 과를 토대로 직사각형의 모델에서 site의 수가 많아질수 록 각 면적에 전류밀도가 증가함과 동시에 분리 횟수가 늘어나서 탈염 효율이 높아질 것이라고 사료된다.