스페이서 구조 및 음극 전해질 농도 변화에 따른 Pilot 규모 전기화학적 H₂O₂ 발생 장치의 최적화 및 성능 평가

이진희(Jin Hee Lee),한희주(Hee Joo Han),이정훈(Jeong Hun Lee),장정화(Jung Hwa Jang),김대원(Dae Won Kim) 대한환경공학회 2020 대한환경공학회지 Vol.42 No.2

목적 : 전기화학적 과산화수소(H₂O₂) 생산을 위하여 pilot 규모의 바이폴라형 전기화학적 발생 장치(bipolar-electrochemical generator or bipolar-electrolyzer)를 개발하였다. 그리고 전기화학적 과산화수소 발생 장치 내 전해질의 유로를 형성하는 역할을 하는 양극 스페이서와 음극 스페이서의 구조 및 배치 변화에 따른 과산화수소의 발생 농도와 발생 효율을 비교함으로써 최적 스페이서 구조와 배치 방안을 확립하고 전기화학적 과산화수소 발생 장치의 성능을 향상시키고자 하였다. 방법 : 본 연구에서는 전기화학적 과산화수소 발생 장치 내 양극 스페이서와 음극 스페이서의 채널 서포터의 구조와 배치를 조절하여, 전기화학적 과산화수소 발생 장치 내 양극 및 음극 스페이서의 구조와 배치를 최적화하였다. 또한 실제 산업에서 요구하는 고농도의 과산화수소를 생산하기 위해 전해질(Na₂SO₄)의 농도를 조절하여 발생한 과산화수소의 농도와 발생 효율을 평가하였다. 결과 및 토의 : 너비가 넓은 채널 서포터와 좁은 채널 서포터를 양/음극 스페이서로 적용하여 50 A에서 전기분해장치를 운영하였다. 그 결과, 너비가 넓은 채널 서포터를 사용하였을 때 2023.83 mg/L의 과산화수소 발생 농도를 보이며 좁은 채널 서포터를 사용하였을 때보다 더 높은 과산화수소 발생 농도를 보임을 확인하였다. 그리고 양/음극 스페이서의 채널 서포터 존재 유・무를 조합하여 50 A에서 전기분해하였을 때, 양극 스페이서에 채널 서포터가 없고 음극 스페이서에 채널 서포터가 존재할 때 가장 높은 과산화수소 농도(2295.95 mg/L)와 발생 효율(86.87%)을 나타냈다. 또한, 전해질(Na₂SO₄)의 농도를 10 PSU와 20 PSU로 조절하여 테스트하였을 때 전해질의 농도가 더 높을수록 과산화수소의 발생 농도(20 PSU, 80 A, 4217.74 mg/L)와 발생 효율(20 PSU, 80 A, 74.80%)이 높은 것을 확인하였다. 결론 : 본 연구는 전기화학적 과산화수소 발생 장치 내 스페이서의 형태와 배치를 최적화하여 고농도의 과산화수소를 높은 발생 효율로 생산하였으며, 본 논문의 과산화수소 발생 장치에 대하여 실제 산업에서의 적용 가능성을 확인하였다. Objectives : In this study, We developed pilot-scale bipolar-electrochemical generator (or bipolar-electrolyzer) for generating hydrogen peroxide (H₂O₂). By comparing H₂O₂ concentration and generation efficiency of H₂O₂ according to structure and arrangement of anode/cathode spacer, the structure and arrangement of spacer have been optimised for high H₂O₂ concentration and generation efficiency. Methods : The concentration and generation efficiency of H₂O₂ were evaluated by changing the width of the channel supporter in anode/cathode spacer and we optimised the arrangement of anode/cathode spacer in electrochemical generator. Additionally, we also evaluated the efficiency of H₂O₂ generation with different concentration catholyte (Na₂SO₄). Results and Discussion : The electrochemical H₂O₂ generator applied anode/cathode supporter with narrow channel supporter showed high H₂O₂ concentration of 2023.83 mg/L. Electrochemical H₂O₂ generator with N-C type spacer (anode: no channel supporter, cathode: channel supporter) showed the highest H₂O₂ concentration (2295.95 mg/L) and H₂O₂ generation efficiency (86.87%). also, we observed that the electrolyzer with 20 PSU has higher H₂O₂ concentration (4217.74 mg/L) and generation efficiency (74.80%). Conclusions : As a results, We generated H₂O₂ with high concentration and high generation efficiency by optimising structure and arrangement of spacer in electrochemical H₂O₂ generator. Also, We concluded that the developed bioplar-electrochemical generator in our study could be applied to the real industry.

철도차량용 ESS 리튬이온전지의 열-전기화학적 모델 개발

이효빈,송지훈,박주남,양승원,이용민 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-

전기자동차에 의해 주도되는 에너지저장장치 (Energy Storage System, ESS) 시장의 확대에 힘입어 무가선 트램과 같은 ESS가 적용된 철도차량에 대한 연구도 함께 진행되고 있다. 이때 철도의 극한 운영조건에서의 ESS의 열적거동에 대한 연구는 철도차량의 화재안전 향상을 위해 상당히 중요하다. 이에 본 연구에서는 철도차량용 고안전성 리튬이온전지의 성능을 모사하기 위한 열-전기화학적 모델을 개발하여 다양한 방전전류와 외부온도 조건에 따른 단전지의 전기화학적 특성과 표면 평균온도 그리고 온도 분포를 예측하고, 나아가 실제 무가선 트램의 운영조건을 반영한 전류패턴이 적용된 단전지의 온도를 예측하였다. 이 모델은 모듈 기반의 열전달 모델 개발을 위한 기초 선행 연구임과 동시에 극한 운영조건에서의 철도차량용 ESS의 열폭주 가능성을 예측하는데 활용될 것으로 기대된다.

LiCl-Li$_2$O 용융염계에서 우라늄 산화물의 전기화학적 금속전환 반응 메카니즘에 관한 연구

오승철,허진목,서중석,박성원 한국방사성폐기물학회 2003 방사성폐기물학회지 Vol.1 No.1

본 연구에서는 고온의 LiCl-Ll$_2$O 용융염계에서 우라늄 산화물의 금속전환과 Li$_2$O의 전해반응이 동시에 진행되는 통합 반응 메카니즘을 기초로 한 전기화학적 금속전환기술을 제안하였다. 본 실험에서는 전기화학적 환원반응에 의해 생성된 Li 금속이온이 음극에 전착과 동시에 우라늄 산화물과 반응하여 금속전환율 99 % 이상의 우라늄 감속을 생성하는 통합 반응 메카니즘을 확인할 수 있었다. 또한 전기화학적 금속전환기술의 공정 적용성 평가 일환으로 우라늄 산화물의 금속전환성, 반응 메카니즘 규명, Li$_2$O의 closed recycle rate 및 물질전달 특성 등의 기초 데이터를 확보하였다 향후 전기화학적 금속전환기술은 LiCl-Li 용융염계의 금속전환공정의 반응조건 제한성 해소, 금속전환율 향상 및 공정의 단순화 등의 기술성과 경제성 향상 측면에서 획기적인 방안으로 고려될 수 있을 것으로 판단된다. This study proposed a new electrolytic reduction technology that is based on the integration of simultaneous uranium oxide metallization and Li$_2$O electrowinning. In this electrolytic reduction reaction, electrolytically reduced Li deposits on cathode and simultaneously reacts with uranium oxides to produce uranium metal showing more than 99% conversion. For the verification of process feasibility, the experiments to obtain basic data on the metallization of uranium oxide, investigation of reaction mechanism, the characteristics of closed recycle of Li$_2$O and mass transfer were carried out. This evolutionary electrolytic reduction technology would give benefits over the conventional Li-reduction process improving economic viability such as: avoidance of handling of chemically active Li-LiCl molten salt increase of metallization yield, and simplification of process.

다양한 전해 조건에 따른 전기화학적으로 환원된 TiO₂ 나노 튜브 전극의 염소 발생 특성 조사

이태영,김성수,한수정,이창하,김춘수,윤제용 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-

전기화학적 수처리 공정을 통해 기존의 고도산화 공정을 보완하기 위한 연구들이 많이 진행되고 있다. 이는 물의 전기 분해 과정에서 발생되는 산화제를 이용하여 소독 및 미량의 난분해성 오염물질들을 제어하기에 높은 효율을 가지고 있어 여러 현장에서 적용 중에 있다. 특히 전극의 재료는 발생되는 산화제와 공정 효율을 결정하는 주된 요인으로 Dimensionally Stable Anode (DSA) 와 Boron Doped Diamond (BDD) 전극이 대표적이다. 하지만, 이 전극들은 제조 공정이 복잡하고 제조 비용이 높다는 단점이 있다. 그래서 그 대안으로 TiO₂ 나노튜브를 이용한 전극과 그 적용에 대한 많은 연구들이 보고 되었다. 본래 부도체인 TiO₂ 나노 튜브(r-TiO₂) 를 간단한 전기화학적 환원을 통해 개질하여 경제적으로 그리고 성능적으로도 견줄만한 전극으로 평가 받고 있다. 하지만, 여러 전해 조건들에 따른 그 성능이 다방면에서 평가되지 않았다. 본 연구에서는 r-TiO₂의 전기화학적 여러 전해 조건들 속에서 조사하였으며, 특히 현재 널리 이용되는 산화제인 염소 발생에 있어 미치는 영향들을 분석하고 평가하였다.

비금속 자원 재활용을 위한 전해부상 장치를 이용한 고농도 유기질 폐수의 재활용에 관한 연구

김기준 ( Ki Jun Kim ),남상성 ( Sang Sung Nam ) 한국유화학회 2012 한국응용과학기술학회지 Vol.29 No.4

고농도 유기질 폐수처리를 위해 전기화학적 방법의 사용에 있어 관심이 고조되고 있다. 전기화학적 방법의 기술은 음식물폐수 및 공업적 폐수 문제를 해결하는데 이상적 처리 방법이다. 다른 화학적 처리 방법과는 다르게 전기화학적 처리장치는 2차 폐수의 부피를 증가시키지 않고 용수와 유기질 비료로 재활용한다. 전기화학적 방법은 전해부상장치를 무기화학적 약품과 병행하여 더욱 효과적으로 음식물 폐수를 처리한다. 이 연구는 2차 처리로 초음파와 오존처리로 탈색, COD와 BOD가 격감함으로 용수 및 유기질 비료로 활용하도록 실험하였다. There is an increasing interest in the use of electrochemical methods for the food waste treatment. The technologies using the electrochemical method provide ideal tools for approaching industrial and food wastes problems. Unlike other chemical treatments, the electrochemical systems do not make the volume of the secondary waste increase. The electrochemical methods can be operated with electrochemical apparatus and inorganic agent allow selective separation and recovery and even quieter than others. This study concerns design factors, electrode construction and wastewater treatment process of the electrochemical apparatus. The experiment of color, COD and BOD removal is much effective in using electrochemical method with ultrasonication and ozonation.

SiOC 박막의 화학적 특성과 전기적인 특성에 대한 차이점에 관한 연구

오데레사,Oh, Teresa 한국진공학회 2009 Applied Science and Convergence Technology Vol.18 No.1

층간 절연막으로써 연구되고 있는 SiOC 박막의 화학적 변화에 대하여 살펴보았다. SiOC 박막의 형성은 알킬기와 수산기에 의한 극성분자의 조합에 의해 무분극성의 박막을 형성할 수 있고 무분극성에 의한 비정질 구조를 형성함으로써 유전상수의 감소를 유도할수 있다. 박막의 화학적인 특성은 이온의 변화에 의한 결정구조의 변화로 결정할수 있고, 화학적인 변화의 분석은 FTIR에 의한 탄소함량변화로부터 무분극성의 영역을 유추해 내었다. 전기적인 특성은 박막 내에서의 전자의 특성을 알아보는 것으로써 화학적인 특성과 반드시 일치하는 것은 아니다 유량변화에 따른 SiOC 박막의 전기적인 특성을 분석함으로써 화학적 특성의 변화와 어느 정도 상관성이 있는지를 조사하였다. SiOC 박막은 열처리 후 대체로 누설전류가 증가하는 것으로 나타났고 특히 탄소의 함량이 급격히 증가하는 샘플이 존재하였다. 그러나 탄소의 함량이 증가하였으나 누설전류는 상대적으로 작게 나타나는 것으로 보아 화학적인 관점에서 탄소의 증가는 박막의 구조변화에 따른 효과로 직접 전류에 기여하지 않는다고 볼 수 있다. The chemical properties of SiOC film was studied for inter-layer insulator. SiOC film was formed with non polarity due to the appropriate union by the alkyl and hydroxyl group. An amorphous structure of non polarity can induce the low dielectric constant materials. The chemical properties of thin film can define the bonding structure owing to the ionic variation, and the analysis of chemical properties was researched by the carbon content using the FTIR spectra, and induced the film with non polarity. The electrical properties is the electron flow, and is always not the same as the chemical properties. The electrical properties of SiOC film with various flow rate ratios was analyzed and researched the correlation between the chemical properties. SiOC film showed the increasing of the leakage current after annealing process, and abruptly increased the carbon content at some samples. But the sample with increasing the carbon content decreased the leakage current. It means that the chemical properties is not the same as the electrical properties, and the carbon is related with the variation of the bonding structure, and does not contribute the current flow.

전기화학적 기법을 통한 시멘트페이스트의 수중노출에 따른 알칼리이온 침출저감 효과: Part 2- 미세구조 분석

윤범희,안기용 한국건설순환자원학회 2023 한국건설순환자원학회 논문집 Vol.11 No.2

In this study, microscopic observation was made on the surface of cement paste immersed in an aquatic environment for 100 days at electrochemical treatment to mitigate the leaching of alkali ions. To quantitatively rank the hydration products, unhydrated grains and porosity in the interfacial region, the backscattered electron(BSE) images were obtained by scanninng electron microscopy. As a result, it was found that the porosity on the surface was significantly reduced by the electrochemical treatment, while unhydrated grains were more or less increased presumably limited hydration reaction under electric charge. At electrochemical treatment, Ca2+ ions present in C-S-H gel could be precipitated with OH- t o form Ca(OH)2 then to lower C-S-H gel and simultaneously to enhance Ca(OH)2. Substantially, the risk of alkali leaching could be lowered by the limited ionized matrix under electrochemical treatment. 본 연구에서는 알칼리 이온의 침출을 완화하기 위해 전기화학적 처리로 100일 동안 수중 환경에 침지된 시멘트 페이스트의표면을 현미경으로 관찰하였다. 계면 영역에서의 미수화물 입자와 공극률을 정량적으로 평가하기 위하여 주사 전자 현미경을통해 후방 산란 전자(BSE) 이미지를 얻었다. 그 결과, 전기화학적 처리에 의해 표면부의 공극률이 크게 감소한 반면, 전하상태에서 제한된 수화반응에 의해 미수화 입자는 다소 증가한 것으로 나타났다. 전기화학적 처리에서, C-S-H 겔에 존재하는Ca2+ 이온은 공극수 내의 OH- 이온과 Ca(OH)2 형태로 침전되어 C-S-H 겔을 낮추면서 동시에 Ca(OH)2를 증대시킬 수 있다. 실질적으로 알칼리 침출에 대한 위험성은 전기화학적인 처리 하에서 제한된 이온화 매트릭스에 의해 감소될 수 있다.

전기화학적 기법을 통한 시멘트페이스트의 수중노출에 따른 알칼리이온 침출저감 효과: Part 1- 알칼리이온의 침출능

윤범희,안기용 한국건설순환자원학회 2023 한국건설순환자원학회 논문집 Vol.11 No.2

In this study, the effect of electrochemical treatment in mitigating alkali leaching into an aquatic environment was investigated. To modify the surface of cement paste, 1000 mA/m2 of the direct current was passed through anodic graphite to the external mesh for 4 weeks. Then, the cement paste specimen was exposed to still water in air-tight condition to prevent natural healing of alkali leaching in the water. For 100 days of monitoring in water, the pH value was marginally increased at the electrochemical treatment, while control specimen ranked to the even higher pH accounting for 13.2 in the pH. Moreover, after the pH monitoring, the pH profile for the paste specimen indicated that the electrochemical treatment was effective in securing the higher alkalinity of cement matrix. The water obtained from alkali leaching process, was used to ecological test for Daphnia magna. It was evident that the electrochemical treatment had minimal adverse effect on ecological impact, while control specimen mostly immobilized the standard Daphnia magna. 본 연구에서는 알칼리 침출수의 수서환경 완화를 위한 전기화학적 처리에 대한 효과를 평가하였다. 시멘트 페이스트의 표면을개질하기 위해 1,000 mA/m2의 직류를 양극 graphite를 통해 외부 메쉬로 4주 동안 통전한 후, 물 속의 알칼리 침출이 자연적으로 치유되는 것을 방지하기 위해 시멘트 페이스트 시편을 밀폐된 상태의 정지된 물에 침지시켰다. 물 속에서 100일간의모니터링 한 결과, 전기화학적 처리를 한 시편의 pH 값은 약간 증가한 반면, control 시편의 pH의 경우 13.2를 나타내어훨씬 더 높은 pH값을 나타내었다. 또한, pH 모니터링 이후 시멘트 페이스트 시료에 대한 pH 프로파일은 전기화학적 처리가시멘트 매트릭스의 높은 알칼리도 확보에 효과적임을 알 수 있었다. 알칼리 침출 공정에서 얻은 알칼리침출수는 다프니아마그나의 생태학적 테스트에 사용되었다. Control 시편은 표준 Daphnia Magna를 대부분 고정시킨 반면, 전기화학적 처리기법의 경우 생태학적으로 매우 우수하다는 것을 확인하였다.

전기화학적 이산화탄소 환원을 통한 일산화탄소 생산 공정의 전과정평가 : 온실가스 저감 잠재량 분석

노고산 한국청정기술학회 2022 청정기술 Vol.28 No.1

Electrochemical carbon dioxide (CO2) reduction technology, one of the promising solutions for climate change, canconvert CO2, a representative greenhouse gas (GHG), into valuable base chemicals using electric energy. In particular, carbonmonoxide (CO), among various candidate products, is attracting much attention from both academia and industry because of itshigh Faraday efficiency, promising economic feasibility, and relatively large market size. Although numerous previous studieshave recently analyzed the GHG reduction potential of this technology, the assumptions made and inventory data used are neitherconsistent nor transparent. In this study, a comparative life cycle assessment was carried out to analyze the potential for reducingGHG emissions in the electrochemical CO production process in a more transparent way. By defining three different systemboundaries, the global warming impact was compared with that of a fossil fuel-based CO production process. The resultsconfirmed that the emission factor of electric energy supplied to CO2-electrolyzers should be much lower than that of the currentnational power generation sector in order to mitigate GHG emissions by replacing conventional CO production withelectrochemical CO production. Also, it is important to disclose transparently inventory data of the conventional CO productionprocess for a more reliable analysis of GHG reduction potential. 전기화학적 이산화탄소 환원 기술은 전기에너지를 이용하여 대표적인 온실가스인 이산화탄소를 유용한 기초 화학제품으로전환시킬 수 있는 유망한 기술 중 하나다. 특히, 다양한 후보 제품 중 일산화탄소는 높은 Faraday 효율과 우수한 경제성을 나타내기 때문에 학계와 산업계의 많은 관심을 받고 있다. 과거 여러 연구진이 본 기술의 온실가스 저감 잠재량을 정량적으로 분석했으나, 분석 과정에서 도입된 과정과 사용된 인벤토리 데이터의 일관성 및 투명성에 문제가 제기된다. 본 연구에서는 전기화학적 이산화탄소 환원을 통한 일산화탄소 생산 공정의 온실가스 저감 잠재량 분석을 위한 전과정평가를 수행했다. 세 종류의시스템 경계를 정의 후 각각의 지구온난화지수를 화석연료 기반 일산화탄소 생산 공정과 비교했다. 분석 결과, 전기화학적 일산화탄소 생산 기술을 도입하여 온실가스를 저감하기 위해서는 전해조 구동에 필요한 전기에너지의 배출계수가 현재 국내 발전부문의 배출계수보다 충분히 낮아야 한다는 점을 확인했다. 또한, 신뢰성 있는 온실가스 저감 잠재량 분석을 위해서는 기존의 화석연료 기반 일산화탄소 생산 공정의 인벤토리 정보를 투명하게 공개하는 것이 중요함을 밝혔다.

A Study on the Electrolytic Reduction Mechanism of Uranium Oxide in a LiCl-Li2O Molten Salt

Seung-Chul Oh,Jin-Mok Hur,Chung-Seok Seo,Seong-Won Park 한국방사성폐기물학회 2003 방사성폐기물학회지 Vol.1 No.1

본 연구에서는 고온의 LiCl-LlO 용융염계에서 우라늄 산화물의 금속전환과 LiO의 전해반응이 동시에 진행되는 통합 반응 메카니즘을 기초로 한 전기화학적 금속전환기술을 제안하였다. 본 실험에서는 전기화학적 환원반응에 의해 생성된 Li 금속이온이 음극에 전착과 동시에 우라늄 산화물과 반응하여 금속전환율 99 % 이상의 우라늄 감속을 생성하는 통합 반응 메카니즘을 확인할 수 있었다. 또한 전기화학적 금속전환기술의 공정 적용성 평가 일환으로 우라늄 산화물의 금속전환성, 반응 메카니즘 규명, LiO의 closed recycle rate 및 물질전달 특성 등의 기초 데이터를 확보하였다 향후 전기화학적 금속전환기술은 LiCl-Li 용융염계의 금속전환공정의 반응조건 제한성 해소, 금속전환율 향상 및 공정의 단순화 등의 기술성과 경제성 향상 측면에서 획기적인 방안으로 고려될 수 있을 것으로 판단된다. This study proposed a new electrolytic reduction technology that is based on the integration of simultaneous uranium oxide metallization and LiO electrowinning. In this electrolytic reduction reaction, electrolytically reduced Li deposits on cathode and simultaneously reacts with uranium oxides to produce uranium metal showing more than 99% conversion. For the verification of process feasibility, the experiments to obtain basic data on the metallization of uranium oxide, investigation of reaction mechanism, the characteristics of closed recycle of LiO and mass transfer were carried out. This evolutionary electrolytic reduction technology would give benefits over the conventional Li-reduction process improving economic viability such as: avoidance of handling of chemically active Li-LiCl molten salt increase of metallization yield, and simplification of process.