해피레포트 - [테마특강]이온교환막 공정기술

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[테마특강]이온교환막 공정기술

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◆문승현 광주과학기술원 환경공학과 교수 물속에 녹아 있는 화학성분 중 전기적 성질을 갖는 것들을 전해질이라고 하며 전기적으로 양(+)이온 또는 음(-)이온이 될 수 있다. 물속에서 이온의 이동이 전기의 흐름(전류)이라는 사실도 오래 전부터 알려져 있다. 따라서 전기에너지를 이용하면 물속의 전해질을 농축하거나 반대로 제거할 수 있다. 이 공정에서 이온이 선택적으로 투과하는 막이 필요하게 된다. 또한 전기장 아래에서 이온교환막을 이용하는 공정은 전기투석이라고 부른다. 초기에는 전기투석공정의 경제적 효율성을 높이기 위해 전기저항이 낮은 막을 제조하는 것이 연구의 주된 목표였지만 최근에는 물분해를 일으키는 바이폴라막, 일가 이온만을 선택적으로 투과시킬 수 있는 막, 막오염을 줄일 수 있는 막 등과 같이 특수한 성질을 갖는 이온교환막을 제조하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이온교환막은 수용액 중의 양이온 및 음이온을 선택적으로 분리할 수 있는 이온선택성 막으로서 연료전지와 유기산을 정제하기 위한 전기투석, 산·염기 회수를 위한 물분해 전기투석, 산세 폐액으로부터 산 및 금속화학종을 회수하기 위한 확산투석, 초순수를 제조하기 위한 전기탈이온(continuous electrodeionization) 공정 등에 이르기까지 폭넓게 응용되고 있다. 전기투석(electrodialysis) 공정은 이온교환막과 전기투석조 (electrodialysis stack)의 양단에서 공급되는 직류전원에 의해 형성되는 전기장을 구동력으로 해 이온성 물질을 분리하는 막분리 공정이다. 이온교환막은 전해질 용액에서 막 내부의 고정이온(fixed ions)의 작용에 의해 대응이온(counter-ions)의 선택투과성을 나타낸다. 탈염전기투석 공정은 염(MX)이 희석조로 유입되면 전위구배 아래에서 양이온(M+)은 양이온교환막을 통과해 음극쪽으로 이동하며, 음이온(X-)은 음이온교환막을 통과해 양극쪽으로 이동해 희석조 양 옆의 농축조로 이동하게 돼 탈염공정을 수행하게 되는 것이다. 양이온교환막과 음이온교환막 사이에는 유로를 형성시키기 위해 스페이서가 있는 개스킷을 배열하게 되고 액실(compartment)을 구성한다. 막의 오염을 줄이기 위해 전류의 방향을 주기적으로 바꾸는 양극전도(polarity reversal)을 이용한 공정(EDR)이 해수의 담수화, 폐수처리 및 질산성 질소를 제거하는 공정에 상업적으로 이용되고 있다. 전기투석 공정은 이미 폐수처리 등과 같은 환경산업, 식염제조, 순수제조공정 등에 실적용돼 계속 급속한 성장을 보이고 있다. 확산투석(diffusion dialysis)은 일반적으로 이온, 비이온, 콜로이드 물질 등을 분리하기 위해 막을 통한 농도구배를 구동력으로 하는 물질 분리방법을 통틀어 의미하며 특히 이온교환막을 이용한 확산투석은 수용액으로부터 산이나 염기를 회수하는 데 이용되는 물질 분리방법이다. 확산투석의 장점으로는 에너지 소모가 거의 없으며 장치가 간단하고 운전이 연속적이고 안정적이며 시스템 유지가 용이하고 설치와 유지비용이 저렴하다는 것이다. 확산투석 공정과 이에 필요한 이온교환막의 제조는 일본이 가장 선진화된 기술을 보유하고 있다. 확산투석장치는 대개 100∼200개의 막과 개스킷(gasket)이 교대로 배치된 다수의 스택(stack)으로 구성돼 있으며 확산투석장치의 효율은 단위부피당 넓은 유효막 면적, 막 표면 위에서 유입수의 속도, 막을 사이로 둔 용액의 농도차, 삼투압의 영향을 받는 막의 변형 등에 의해 크게 영향을 받는다. 또한 산을 회수하기 위한 확산투석 공정 기술의 경제적 이점은 폐수에서 회수된 산의 효율적 활용, 폐수의 중성화에 쓰여지는 화학물질 비용절감, 산 세척액의 합리적인 재활용, 생성되는 슬러지 감소에 있다. 폐수의 산 재활용 비율은 80∼90%에 이르며 회수된 산의 농도는 폐수의 80% 정도다. 물분해 전기투석(WSED:Water-Splitting ElectroDialysis) 공정은 기존의 전기투석에 물분해를 일으키는 바이폴라막을 도입한 것이다. 바이폴라막은 양이온과 음이온교환층이 결합된 형태의 막으로서 역 바이어스, 즉 바이폴라막의 양이온교환층이 음극을, 음이온교환층이 양극을 향하고 있는 상태에서 물분자를 수소이온 (H+)과 수산화이온(OH-)으로 분해한다. WSED공정은 산·염기를 생성하기 위해 이용됐던 기존의 전해공정을 대체할 수 있는 효과적인 방법이다. 전극에서의 물분해 반응을 이용하는 기존의 전해공정은 매우 넓은 전극면적을 요구해 전류효율이 낮아 에너지 효율이 떨어진다. 이에 반해 바이폴라막을 이용한 WSED공정은 스케일 업(scale up)이 용이하며 전해법에 비해 에너지 소모량도 낮은 편이다. WSED공정에서 가성소다(NaOH) 1톤을 생산하기 위한 이론적인 에너지 소모량은 600∼700㎾h며 실제적으로 WSED공정은 50∼150㎃/㎠의 전류밀도에서 운전이 되며 이때 바이폴라막의 물분해 전압은 0.9∼1.1V다. WSED공정은 환경오염 저감 및 자원회수에 적합한 기술이다. 바이폴라막을 이용한 물분해 공정의 응용은 철강산업의 산세폐액 처리회수를 비롯해 펄프제지산업 등 다양한 화공·생물산업 분야에서 응용되고 있다. 전기탈이온(CEDI:Continuous ElectroDeionIzation) 공정은 전기투석법의 희석실에 이온교환수지와 같이 이온교환 작용을 할 수 있는 이온전도성 물질(ion-conducting material)을 충전한 전기투석의 응용공정이다. 이온교환막을 이용하는 전기투석 공정은 화학물질을 사용하지 않고도 이온물질을 제거할 수 있어 공정운전중 염을 함유한 폐기물량을 크게 줄일 수 있는 장점이 있으나 음용수 및 원자력 발전소에서의 1차 냉각수와 같은 낮은 전해질의 수처리에서는 이온교환막의 높은 전기저항에 따른 과도한 전력소모 때문에 현장에서의 적용이 기피돼 왔다. 그러나 전기투석법의 응용공정으로서 전기투석장치의 희석실에 이온교환수지를 설치한 전기탈이온법은 반응속도와 전력소모에서 전기투석법보다 우수하기 때문에 낮은 전해질을 가진 수처리에 다양하게 응용되고 있다. 주로 전자 및 반도체 회사의 초순수 생산설비에 적용돼온 전기탈이온법은 기존의 이온교환수지를 사용하는 데미시스템(demi system)과 달리 전기적으로 이온을 제거하기 때문에 재생을 위해 약품을 사용하지 않으며 이에 따른 재생폐액이 생성되지 않아 최근 전기탈이온 시스템의 활용이 증가하고 있다. CEDI에서 이온교환수지는 수지를 둘러싼 용액보다 전기전도도가 높기 때문에 유입수 내의 이온들은 용액보다는 이온교환수지(resin bead)를 통해 이동하는 원리를 이용한다. 이온교환막을 이용한 공정은 화학원료 사용감소와 동시에 환경오염의 저감효과를 얻을 수 있는 청정기술로서 세계적인 주목을 받고 있으며 최근 고성능 이온교환막이 개발됨에 따라 그 응용범위는 확대되고 있다. 이온교환막을 이용한 분리기술의 중요성에 대한 인식은 미국의 에너지환경청(DOE)에서 발표한 ‘비전 2020’에 포함된 연구개발 목표에서도 잘 나타나 있다. DOE에서 2020년을 목표로 설정한 22개 연구과제 중 이온교환막을 이용한 전기탈염기술이 포함돼 있다. 이처럼 미국과 일본, 유럽 등을 중심으로 전기투석과 전기탈염 공정은 해수의 담수화, 질산성질소 제거, 도금폐수에서의 중금속 제거, 초순수 제조, 방사성 폐기물 처리 등과 같은 환경산업에서뿐만 아니라 화학공업·식품공업 등에서도 점차 활용의 폭을 넓혀가고 있다. 약력 -79년 서울대 화학공학과 학사 -82년 서울대 화학공학과 석사 -82∼85년 한국과학기술연구원(KIST) 연구원 -85∼90년 미국 일리노이 공과대 화학공학 박사 -90∼94년 미국 아르곤 국립연구소 연구원 -94∼현재 광주과학기술원 환경공학과 교수, 국가지정 청정분리연구실(NRL) 실장, 원자력기초공동연구소장 -2001년 과학기술총연합 우수논문상 수상

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