CDI(Capacitive Deionization)을 이용한 용액 내 Cu2+의 제거에 관한 연구

이 경수, 김화용

서울대학교 응용화학부

Study on the removal of Cu2+ in solutions

with CDI(Capactive Deionization)

Kyoung-Soo Lee, Hwayong Kim

Department of Chemical Engineering, Seoul National University

서론

CDI(Capacitive Deionization)는 전극에 전하를 가하여 양극에는 음이온이 음극에는 양이온이 흡착되도록 함으로써 용매내의 불순물을 분리하는 공정이다.  CDI에 대한 최초의 연구 결과는 1960년대 초에 오클라호마 대학에서 발표되었으며 관심분야는 염수에서의 탈염과정이었다[1].  Caudle et al.의 보고서에는 기공이 있는 활성화 탄소 전극을 가진 유체 투과형(flow-through) 축전기에 대해 자세히 기술되어 있으며[2], Johnson et al. 은 활성화 탄소를 가지고 비슷한 연구를 수행하였다[3]. 그들의 실험과정에는 공정에 대한 이론적 근거의 증명, 파라미터의 변화에 대한 영향 연구, 여러 전극 후보물질에 대한 평가가 포함되어 있다.  Newman은 Johnson의 영향을 받아 기공이 있는 탄소전극의 축전 현상에 대한 포괄적인 이론적 모델을 개발하였다[4].  Newman의 분석은 일반적인 구조의 모든 CDI 시스템에 적용될 수 있다.  Johnson은 여러 가지 문제점들(기능저하가 없는 전극 등)로 인해 CDI를 중단했으나, 이전의 가격연구에 의하면 적절한 전극 내구성만 얻는다면 이 기술에 근거한 효율적이며 낮은 가격의 탈염 공정을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.  탄소 에어로젤 전극을 발명하기 전에 이 작업이 이루어졌기 때문에 그런 물질들은 연구에 포함되지 않았다. 최근에 CDI(활성탄소 전극 이용)에 관한 특허가 추가되었으며[5,6]  Lawrence Livermore National Laboratory에 의해 개발된 탄소 에어로젤을 이용한 CDI에 대한 연구결과도 있었다[7-9].

활성탄을 이용한 CDI 시스템에는 여러 가지 문제점들이 있다.  예를 들어, 중합 연결물질이 활성탄 표면 중 상당부분을 막는다[1].  활성탄 가루로 만든 유체 투과층을 전극으로 사용하는 CDI 시스템은 절연하기 위해 분리막을 필요로 하고 이 막은 전극 입자가 유출되는 것을 방지한다[3,4].  그러나 보다 작은 입자가 생성되어 유출되는 경우도 있다.   또한, 물은 전극 층을 통과하여 축 방향으로 흐르기 때문에 압력 강하가 생긴다.  그리고 인접한 탄소 입자가 접촉해도 전기적인 접촉은 없으며 결과적으로 전기저항이 크다.

탄소 에어로젤은 독특한 전기적, 열적, 역학적, 광학적, 음성학적 성질을 가지고 있는데 이는 탄소 에어로젤이 매우 작은 기공을 가진 입자로 구성되어 있기 때문이다[10,11].  탄소 에어로젤은 이상적인 전극 물질로써 전기저항이 작고(≤40m□cm) 표면적이 크며(400-1100m2g-1), 제작 시 기공의 크기를 조절할 수 있다.  성긴 탄소가루나 활성탄소섬유와는 달리 탄소 에어로젤이 전도도가 큰 것은 단일결정구조에 기인한다. 탄소 에어로젤은 공유결합 탄소 입자로 구성되어 있다.  활성탄 가루와 섬유로 만들어진 전극과는 대조적으로 탄소 에어로젤에서의 활성화 에너지는 상대적으로 작다.  이런 특성으로 인해 탄소 에어로젤은 축전기의 전극으로 많이 사용되어 왔다. 본 연구에서는 이러한 특성을 가진 탄소 에어로젤을 전극으로 사용하여 CDI공정 모듈을 제작, 용액 내의 Cu2+를 제거하였다.

실험

전극은 실질적인 전기흡착이 일어나는 탄소 에어로젤과 탄소 에어로젤을 지탱하는 전극 지지체, 두 부분으로 이루어져 있다. 탄소 에어로젤은 도전성 수지(DOTTIE 카본 도전성 수지, 일본 FUJIKURA KASEI사)로 전극 지지체에 부착하였다. 이때 가운데 전극 지지체는 양면에 탄소 에어로젤을 부착하며, 마지막 전극 지지체에는 한쪽면에만 부착하게 된다. 결국 4개의 전극 지지체에 모두 3쌍의 탄소 에어로젤 전극을 부착하였다. 전극 지지체는 스테인레스 316을 사용하였다. 전극 지지체의 한쪽 면에 전원공급장치와 연결할 수 있는 탭을 만들었으며, 반대쪽에는 전극 지지체 사이의 두께를 잴 수 있는 탭도 만들었다. 이 전기 지지체의 한 쪽 면에는 시료가 흐를 수 있는 구멍을 만들었다. 전극 지지체를 서로 조여 줄 수 있도록 지지체의 구석마다 나사를 위한 구멍을 뚫었다. 전극의 크기는 가로 40mm, 세로 40mm, 두께 2.00mm이며, 전극지지체의 크기는 탭을 제외한 부분이 가로 82mm, 세로 80mm, 두께 30mm이다.

전극 지지체 4개를 가지고 만든 셀의 측면도가 Fig. 1에 나타나 있다. 셀의 양쪽 끝에는 장치를 지탱하기 위한 판이 필요하며 이 판은 극화되지 않는 재질인 아크릴 판으로 제작되었다. 전극지지체 사이에도 시료가 흐를 수 있는 공간을 만들고 전극 지지체를 일정한 간격으로 떨어뜨리기 위해 그 사이에 실리콘 개스킷 또는 고무 개스킷을 사용하였다. 셀 조립 시 전극 지지체의 구명이 서로 엇갈리게 조립함으로써 시료가 모든 탄소 에어로젤 전극을 골고루 지날 수 있도록 설계되었다.

직류 전원공급장치(EG&G Potentiostat/Galvanostat Model 273A)는 셀의 전극 지지체에 직류의 전기를 공급한다. 시료는 1rpm에서 100rpm까지 속도를 변화시킬 수 있는 펌프(Cole Parlmer사)를 사용하여 순환시켰다. 출구에 나오는 용액을 1mm씩 채취하여 희석시킨 후 AA(Perkin-Elmer 1100B)로 농도를 측정하였다.

구리를 이용한 인공폐수는 pH를 일정하게 유지하기 위해 완충용액을 이용하였으며, 여기에 CuSO4□5H2O를 용해하여 20ppm의 구리용액을 만들었다. 이 시료를 가지고 0.6V와 1.2V에서 실험을 수행하여 전압에 따른 구리이온의 제거율을 측정하였다.

결과 및 토론

셀에 180분동안 0.6V의 전압을 걸어준 뒤 다시 180분 동안 1.2V의 전압을 걸어 주었다. 실험결과는 Fig 2.에 나와 있다. 0.6V의 전압을 180분 동안 걸어준 결과 약 16.5%의 제거율을 보였으며, 추가적으로 1.2V의 전압을 180분 동안 걸어준 결과 약 31.1%의 제거율을 보였다. 이를 통해 셀에 가해준 전압이 클수록 구리이온의 제거율이 커짐을 알 수 있다.

참고문헌

[1] B. B. Arnold and G. W. Murphy, J. Phys. Chem. 65 (1961) 135-8

[2] D. D. Caudle, J. H. Tucker, J. L. Cooper, B. B. Arnold and A. Papastamataki, 'Electrochemical Demineralization of Water with Carbon Electrodes', Research and Development Progress Report 188, US Department of the Interior, May (1966)

[3] A. M. Johnson, US Patent 3515664, 2 June (1970)

[4] A. M. Johnson and J. Newman, J. Electrochem. Soc. 118 (1971) 510-7

[5] M. D. Andelman, US Patent 5415768, 16 May (1995)

[6] Idem, US Patent 5360540, 1 Nov. (1994)

[7] J. C. Farmer, US Patent 5425858, 20 June (1995)

[8] J. C. Farmer, D. V. Fix, G. V. Mack, R. W. Pekala and J. F. Poco, J. Electrochem. Soc. 143 (1996) 159-69

[9] J. C. Farmer, D. V. Fix, G. V. Mack, R. W. Pekala and J. F. Poco, J. Appl. Electrochem. 26 (1996) 1007-18

[10] J. Wang, L. Angnes, H. Tobias, R. A. Roesner, K. C. Hong, R. S. Glass, F. M. Kong and R. W. Pekala, Anal. Chem. 65 (1993) 2300-3

[11] J. L. Kaschmitter, S. T. Mayer and R. W. Pekala, US Patent 5260855

Fig . 실험장치의 측면도

그림  0.6V와 1.2V에서의 Cu2+농도곡선