NaCl 용액에서 티타늄 결합 활성탄소천 전극을 이용한 축전식 이온제거 = Capacitive Deionization of NaCl Solution using Titanium-Incorporated Activated Carbon Cloth

국문 초록 (Abstract)

여러 탄소재료의 물리화학적 성질과 전기장 하에서 흡착성질을 조사하여 CDI 전극재료로 선정한 활성탄소천(ACC) 표면에 물리흡착을 억제하고 전기장흡착을 증대시키기 위해 ACC에 티타늄, 지르코늄, 실리콘, 알루미늄 원소를 결합시켰다. 티타늄이 결합되면 ACC의 극성 관능기가 줄어들고 티타늄 원자가 전기장 흡착점으로 작용하여 NaCl 용액에서 CDI 성능이 크게 향상되었다. 티타늄이 결합된 ACC에서 이온의 흡착등온선을 구하여 티타늄 결합에 따른 이온제거 성능의 향상 원인을 고찰하고 다중 CDI 셀에서 이를 검증하였다.
직조된 페놀계 활성탄소천은 전기전도도가 높고, 표면적이 넓으며, 극성 관능기가 적어, 입상 활성탄소, 활성탄소섬유, 에어로겔탄소에 비해 CDI 전극으로서 성능이 우수하였다. 특히 이온의 물리흡착량이 적어 재생 효율이 높으며, 전기장하에서 산화-환원 반응이 일어나지 않아 CDI 전극으로 적절하였다.
ACC의 극성 관능기와 금속 알콕사이드의 반응으로 금속을 ACC의 표면에 결합시킬 수 있다. 금속은 산소를 다리로 산화물 상태로 고르게 결합되므로, 금속의 결합량이 많아도 ACC의 미세 세공은 그대로 유지되었다. 금속은 극성 관능기와 결합되어 표면의 물리흡착점을 줄어준다. ACC 표면에 결합된 티타늄 원자는 전기장에 따라 산화 상태가 가변적이어서, 전기장흡착량이 많아져 CDI 성능이 크게 향상되었다. 이에 비해 실리콘과 알루미늄이 결합된 ACC에서는 이들 금속의 산화 상태가 쉽게 변하지 않아 CDI 성능이 향상되지 않았다.
티타늄이 결합된 ACC에 대한 이온의 흡착은 단분자층 흡착을 가정한 Langmuir 흡착등온선으로 잘 모사할 수 있었다. 흡착현상의 정량적 해석으로부터 티타늄의 결합으로 전기장흡착점이 많아지고 흡착 세기가 커져서 전기장 하에서 이온의 흡착량이 많아진다고 제안하였다. CDI 다중셀에서도 유통식과 순환식으로 수행한 NaCl의 제거 실험에서도 티타늄 결합으로 인한 ACC의 CDI 성능향상을 검증할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Deionization of NaCl solution using capacitive deionization (CDI) cell composed of activated carbon cloth (ACC) electrodes was discussed with relating to their surface and electrochemical properties. ACC - with a large surface area, small number of functional groups and high electric conductivity - was selected as a CDI electrode material from various carbon materials of activated carbon power, activated carbon fibers and carbon aerogel. Titanium, zirconium, silicon and aluminium were incorporated on ACC suppress physical adsorption of ions and enhance the electric field adsorption. Among them titanium-incorporated ACC showed significantly enhanced CDI performance, resulting in introducing of oxidizable and reducible titanium atom under electric potential difference. The adsorption of various electrolytes on titanium-incorporated ACC was examined its enhanced CDI performance was confirmed using a multi CDI cell.
Metal could be incorporated on ACC by the reaction of metal alkoxides react with surface polar groups of the ACC. Metal atoms were bonded with the ACC surface through oxygen atoms as oxide and dispersed highly without forming any large particles. Micropores of ACC were not blocked by metal atoms, retaining high surface area even though a considerable amount of metal incorporation. Physical adsorptions of ions were decreased by metal incorporation because of diminishing surface polar groups, but electric field adsorption of ions were increased considerably by titanium incorporation. Easily changable oxidation states of titanium atoms a significant improvement of CDI performance. No remarkable enhancement of CDI performance was observed on silicon- and aluminium-incorporated ACC, because the applied electric field was too small to charge the oxidation states of these metals.
Ion adsorption on titanium-incorporated ACC can be nicely simulated using Langmuir isotherm derived under the assumption of monolayer adsorption. Quantitative analysis of ion adsorption revealed that titanium-incorporation on ACC induced significant increases in the number of electric field adsorption sites and their adsorption strength, resulting in the considerable enhancement of electric field adsorption of ions. This enhancement of CDI performance of ACC electrode by titanium-incorporation was confirmed at the ion removal tests of NaCl solution with flowing and circulating modes in CDI cell composed of multi electrodes.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = i
• List of figures = iv
• List of tables = viii
• 국문초록 = ix
• 1. 서론 = 1
• 2. 물의 정제 = 4
• 가. 물에 들어 있는 오염물질 = 4
• 나. 이온제거 방법 = 5
• 1) 물리적 방법 = 5
• 2) 화학적 방법 = 8
• 3) 전기적 방법 = 10
• 다. 이온의 제거효율 = 15
• 라. 축전식 이온제거법 (CDI) = 17
• 마. CDI 전극으로서 활성탄소 = 26
• 바. CDI 셀 = 30
• 1) 입상 활성탄소를 이용한 CDI = 30
• 2) 활성탄소섬유를 이용한 CDI = 31
• 3) 에어로겔탄소를 이용한 CDI = 32
• 4) 탄소 하니컴을 이용한 CDI = 34
• 3. 실험 = 36
• 가. CDI 전극의 제조와 셀 조립 = 36
• 나. CDI 전극의 구조와 성질 조사 = 44
• 1) 구조 = 44
• 2) 표면 상태 = 44
• 3) 물리화학적 상태 = 45
• 다. 이온의 흡착성질 = 46
• 1) 단일 셀에서 이온의 흡착 = 46
• 2) CDI 셀의 전기화학적 특성 조사 = 48
• 3) 다중 CDI 셀에서 이온의 흡착 = 50
• 4. 탄소전극 재료의 물리화학적 성질과 CDI 기능 = 52
• 가. 개요 = 52
• 나. 탄소전극의 물리화학적 성질 = 53
• 1) 표면 형태 = 53
• 2) 세공과 표면 관능기 = 59
• 3) 전기전도도 = 64
• 다. 탄소전극의 이온흡착 특성 = 66
• 1) 물리흡착과 전기장흡착 = 66
• 2) 전극의 CV 특성 = 71
• 3) CDI 셀의 임피던스 특성 = 73
• 라. 탄소전극의 물리화학적 성질과 CDI 기능 = 75
• 5. 금속 결합으로 ACC의 CDI 전극 성능 향상 = 76
• 가. 개요 = 76
• 나. 금속이 표면에 결합된 ACC의 물리화학적 성질 = 77
• 다. 금속이 결합된 ACC 전극의 이온 흡착 = 96
• 라. ACC(p)와 Ti-ACC 전극에서 이온의 흡착기구 = 101
• 1) 전기장 세기에 따른 이온의 흡착성질 = 101
• 2) 이온의 전기장흡착 등온선 = 101
• 3) 전극 표면에서 이온의 흡착과 탈착 = 109
• 4) 이온의 종류별 흡착성질 차이 = 112
• 마. ACC(p)에 결합된 티타늄이 이온의 흡착성질에 미치는 영향 = 117
• 6. Ti-ACC 전극으로 제조한 CDI 다중셀의 성능 = 120
• 가. 개요 = 120
• 나. 다중 CDI 셀에서 이온제거 효과 = 120
• 7. 결론 = 125
• 참고문헌 = 127
• ABSTRACT = 135