Ⅰ. 서론 

물 산업은 인류의 삶에 없어서는 안 되는 중요한 기반으로 도시화의 진전과 생활 수준 향상, 산업경제 성장에 따라 수요가 급증하고 있다. 하지만 자연적인 공급 한계로 인하여 물 부족 현상을 겪고 있다. 2019년 국내 물 산업 총매출은 46조 원으로 전년 대비 6.8% 증가하였다.1 2025년 세계 물 산업 규모는 약 900조 원으로 전망되며2 반도체, 디스플레이 시장 대비 몇 배 이상의 큰 시장으로 향후 계속 확대될 것으로 기대된다.  

우리나라뿐만 아니라 선진국, 개발도상국들도 이러한 물 문제를 해결하기 위해 물 산업 육성 기반을 조성하고 관련 산업을 육성할 수 있는 정책을 지원하고 있다. 특히 국내 기업들은 고부가가치의 수 처리 부품 소재 사업으로의 확장하기 위해 해외 기업과 전략적 제휴, 차별화된 기술개발을 통해 선진기술을 확보하려는 노력을 경주하고 있다. 

물속에는 칼슘, 마그네슘과 같은 경도 성분이 포함되어 있는데, 이를 적정한 수준 이하로 제거하지 않으면 세탁이나 세정 등의 생활용수, 보일러나 열교환기에 사용되는 산업용수, 그리고 음용수 등으로 부적합하여 많은 문제를 야기할 수 있다. 따라서 적절한 방법으로 정수처리된 물이 가정뿐 아니라 여러 산업 분야에서 요구된다. 

수중 용존이온들을 제거하는 기존 기술로는 증발법, 역삼투압(reverse osmosis, RO)법, 이온교환수지법, 전기투석(elecrodialysis, ED)법 등이 있다. 증발법은 높은 에너지 비용이 소요되고, RO법은 높은 압력에서 운전되며 복잡한 장치 구성으로 인한 설비 유지관리의 어려운 점이 있다. 

광범위하게 이용되는 이온교환수지법은 재생 시 산(Acid)이나 소금(NaCl))을 많이 사용하는 관계로 2차 오염이 발생하는 단점을 가지고 있다. ED법은 용량 확장성에 한계가 있고 다량의 값비싼 이온교환막이 사용된다. 이러한 물속 용존이온 제거기술이 가진 단점을 보완하고 저 에너지 소비형의 새로운 이온 제거기술이 개발되고 있다.

전기 흡착식 이온 제거기술인 축전식 탈염(capacitive deionization, CDI) 기술은 기존 탈염 기술과 비교하여 에너지 소비량이 적고 유지관리가 간편하다는 장점이 있으며, 특히 이온교환수지법의 문제점인 2차 오염이 발생할 수 있는 화학약품에 의한 세정이 필요 없다. 따라서 환경친화적인 새로운 이온 제거기술로 국내뿐만 아니라 선진국에서도 활발한 연구가 수행되고 있다. 이 CDI 기술의 주요 기능인 전기 흡착과 탈착을 통한 물속 용존이온들이 제거되는 과정에서 이온교환막의 역할은 매우 중요하다.

이온교환막은 성능과 두께에 따라 이온 제거 능력, 즉 탈염 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다. 본 보고서에서는 이온교환막의 종류와 특성을 살펴보고, 이를 적용한 탈염 기술에 대해 조사하고자 한다.

Ⅱ. 기술 동향

2.1. 이온교환막

이온교환막은 이온들을 선택적으로 투과할 수 있으며, 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 구분된다. 연료전지에서는 양이온 교환막 또는 음이온 교환막 단독으로 사용할 수 있다. 염수를 전기 분해하여 가성소다 제조 시 양이온 교환막 하나만을 사용할 수 있다. 

수전해(water electrolysis) 공정에서 양이온 교환막 또는 음이온 교환막 중 어느 하나를 선택하여 수소를 생산할 수 있다. 그러나 탈염 기술을 이용한 수 처리에서는 일반적으로 양이온 교환막과 음이온 교환막을 같이, 즉 쌍으로 사용한다. 양이온 교환막은 전기 구동력(driving force)에 의해 양이온만을 투과시키고, 음이온 교환막은 음이온만을 통과시킨다. 

이온 흡착 용량이 포화가 되면 일시적으로 멈춰서 재생을 필요로 하는 이온교환수지와는 달리, 이온교환막은 직류전기 구동에 의해 이온들이 투과 이동하며 재생이 필요 없고 장시간 연속 사용이 가능하다. 일반적으로 양이온 교환막은 설폰산 기가 도입된 고분자를 캐스팅하여 평판형으로 제조하여 사용한다. 음이온 교환막은 주쇄 고분자에 할로겐기 및 4급 암모늄 그룹을 도입하여 제조한다.

또한, 이온교환막은 막의 구조에 따라 균질 이온교환막, 불균질 이온교환막, 복합 이온교환막으로 구분할 수 있다. 균질 이온교환막은 단일 고분자 소재에 다수의 이온교환기가 화학적으로 결합하여 균일하게 분포되어있는 구조의 막이다. 주재질은 단일소재 고분자이며 불균질 이온교환막에 비해 두께가 얇고 막 저항이 작아 전기전도성이 우수하다. 기계적 강도를 보완하기 위한 방법으로 그물망의 보강제를 활용할 수도 있다. 

불균질 이온교환막은 비드형의 이온교환수지를 미세 분말화하고 여기에 저분자량의 폴리에틸렌, 폴리스티렌 등을 결합제로 분산, 가열하여 막으로 성형한다. 이때 플라스틱 네트워크의 보강제로 구성성분 간의 결합을 강화하면 기계적 강도가 향상된다. 이 막은 가격이 저렴하며 상대적으로 제조하기가 쉽고 안정성이 높지만 막 저항이 높아 전기전도성이 낮은 단점이 있다. 

한편, 복합 이온교환막은 2가지 종류 이상의 재질로 제조되는 막으로 지지체는 다공성이며 기존 상용 제품을 이용할 수 있다. 지지체의 기공(pore)에 단량체(monomer)를 충진하여 공중합을 거쳐 이온교환 기능 그룹을 도입하거나 이온교환 고분자 용액을 함침 또는 코팅하여 복합 이온교환막으로 제조할 수 있다(그림 1). 

ED용 균질 이온교환막보다 두께가 훨씬 얇아서 물질전달 저항이 작으며 지지체(예, 이차 전지용 PE separator)의 자체적인 기계적 물성이 우수하다. 이러한 복합 이온교환막 제조의 경우, 균질 이온교환막에 비해 기능성 이온교환 용액을 지지체 위에 아주 적게 사용하므로 막의 제조 가격이 저렴해질 수 있다. 그리고 지지체를 포함한 막 두께가 아주 얇기 때문에 이온교환막이 적층되는 모듈에서 전체 전극 부피를 작게 줄일 수 있다. 물에 노출되는 이온교환막의 특성상 함수율이 낮은 이온교환막은 물에 대한 팽윤성이 적어 안정적인 전극 형상을 유지할 수 있다.

 

 

 

바이폴라막은 양이온 교환막과 음이온 교환막이 서로 접합되어있는 형태이다. 양단 전극에 전기를 인가하면 양이온 교환막과 음이온 교환막의 계면 사이에서 물이 분해되어 수소이온(H+)과 수산화이온(OH-)이 발생한다. 바이폴라막에는 두 이온교환막 사이에 미량 철 이온이 포함되어 있는데, 이 이온의 촉매 작용으로 인해 물 분해 성능이 크게 향상된다. 팔라듐, 티타늄, 크롬 등 무기 금속과 폴리에틸렌글리콜이 물 분해능의 저항을 낮추는 촉매 층으로 사용되기도 한다.³   

 

이온교환막의 특성 분석 항목에는 전기저항, 막의 선택성(이동수), 이온교환용량, 그리고 수분함량 등이 있다(표 1). 이온교환막은 양이온 또는 음이온을 선택적으로 투과시키고, 막 저항이 낮아야 한다. 상대전하에 대해 불필요한 물질의 확산을 최소화하는 이온선택 투과성이 우수해야 하고 팽윤성이 작아 치수 안정성도 좋아야 한다. 기계적 강도가 우수하고 내약품성도 지녀서 화학적으로 안정하며 장기간 연속운전이 가능해야 한다.

 

이온교환막은 전기 에너지를 얻기 위한 연료전지뿐만 아니라 유기산 정제와 산/염기 회수를 위한 전기투석, chlor-alkali의 물 분해(splitting)에도 사용된다. 또한, 가정용에서 산업용까지 사용되는 이온 제거 연수기에도 쓰인다. 이온교환막은 나트륨과 염소가 포함된 염기뿐만 아니라 칼슘, 마그네슘, 불소, 황화합물 등 이온성 물질의 제거도 가능하다. 본 보고서에는 탈염 기술을 기반으로 가정용 정수기, 염분이 포함된 기수의 담수 설비, 고도 정수처리시설, 반도체와 제약산업용 순수 및 초순수 제조기에 활용될 수 있는 이온교환막의 응용기술에 대해 알아보기로 한다. 

 

 

 

 

 

 

2.2. 탈염 기술

 

물속에 용해되어 있는 이온들은 전극에 전류를 흐르게 하면 양이온과 음이온이 상대편 전극으로 이동한다. 이때 이온선택성막, 즉 이온교환막을 이용하면 이온 성분과 물의 분리가 가능하다. 전기 구동력을 이용한 탈염 기술은 RO처럼 전처리를 비교적 엄격하게 하지 않아도 되는 장점이 있으며 설비가 간단하고 유지, 보수가 용이하다. 

 

CDI 기술은 정전기 구동력에 의해 용존이온들이 하전 된 탄소전극 표면에 흡착되는 원리를 이용하는데 염분농도 3,000ppm 이하에서 유용하다. 장치 구성이 단순하고 쉬운 공정 운영과 운전과정에서 이차 화학 오염물질을 배출하지 않는 친환경 정수처리 공정이다. 해수나 염수로부터 음용수, 공업용수 제조, 도시 하수, 보일러나 냉각수/냉각 순환수의 탈염과 염 함유량 조절에도 쓰인다. 

 

전기투석은 양극과 음극 사이에 여러 쌍의 이온교환막이 설치되고, 이 이온교환막 간의 유로를 따라 염이 희석실로 들어오면 전기장의 영향을 받아 양이온은 양이온 교환막을 통과하여 음극 쪽으로 이동하며, 음이온은 음이온 교환막을 통과하여 양극 쪽으로 이동하여 농축실로 옮겨진다. 양이온은 음이온 교환막을 통과하지 못하여 농축실에 남게 되며 음이온도 양이온 교환막을 통과하지 못해 농축실에 그대로 축적된다. 희석실을 통과한 낮은 농도의 염수는 일정 수준의 농도 이상이면 공급실로 다시 보내지는 재순환 과정을 거쳐 탈염하게 된다. 한편 농축실에 축적된 염들은 밖으로 배출된다. 

 

지표수 확보가 쉽지 않은 이스라엘과 쿠웨이트, 중동지역에서 해수나 염수의 담수화의 경우에 ED가 이용된다. 이 전기투석은 1960년대 초반 일본에서 대용량(연산 50,000톤)의 상업 운전을 개시하였으며 일본, 한국, 대만 등에서 식염을 생산하고 있다. 이 기술은 이온교환수지와 같은 용도이나 재생 과정이 없고 환경친화적이고 설비조작이 간단하다. ED 탈염 공정에서는 CDI(모노 전극)보다 일반적으로 높은 직류 전압을 사용한다. 

 

ED 공정에 상업적으로 이용되는 이온교환막은, 크게 분류하여, 불균질 이온교환막과 균질 이온교환막이 있다. 불균질 이온교환막은 균질막에 비해 가격은 저렴하나 불투명하고 두꺼우며 전기저항이 크다. 이러한 특성이 이온투과 선택성에 영향을 미쳐 탈염 효율이 낮고 전기 에너지가 많이 소요되는 단점이 있다. 

 

모듈 설비 투자에서 이온교환막 가격의 비중이 크기 때문에 저염도 또는 이온 농도가 낮은 경우 불균질 이온교환막을 선호하는 경향이 있다. 한편 균질 이온교환막은 두께가 상대적으로 얇고 막 저항도 낮기 때문에 생산성과 탈염 효율 성능이 우수하다. 가격보다 고효율의 탈염 공정을 추구하는 경우에 균질 이온교환막이 이용되며, 일본 이온교환막 제작사가 세계 시장을 선도하고 있다.    

 

전기 탈이온 장치(electro deionization, EDI)는 이온교환막을 이용한 전기 재생방식 순수 제조 장치 시스템을 갖는다. 이온교환수지는 이온교환막 사이에 충진되며 이온의 이동속도를 증가시키는 매개체로 작용하여 전기저항을 감소시킨다. 

 

희석실에서는 이온이 제거된 물이 모이게 되고 농축실에는 농축수가 순환 또는 배출된다. 이 과정에서 산 및 알카리 등 유해한 약품을 사용하지 않고 이온교환수지를 재생하여 균일한 순수/초순수를 연속적으로 생산할 수 있다. 이 EDI 모듈은 양극과 음극 사이에 양이온 교환막과 음이온 교환막이 교대로 배열하고 희석실과 농축실, 전해액실로 구성되며, 희석실에는 양이온교환수지와 음이온교환수지가 충진되어 있다. 

 

충진된 이온교환수지는 전기저항을 감소하고 전류가 잘 흐르게 하여 이온 이동도를 향상시키는 역할을 한다. 전기 탈이온 공정에서 물 분해로 생성된 수소 및 수산화이온은 이온교환수지를 재생하는 데 이용된다. 적절한 물 분해 조절은 에너지 비용과 재생 효율 면에서 중요하다. 최근에는 필요에 따라 양이온 교환막과 음이온 교환막이 결합된 바이폴라막이 장착될 수 있는 연구가 이루어지고 있는데(그림 2)^4,5 이온교환수지 재생을 위해 시스템 운전을 중단할 필요가 없어 연속적인 순수 및 초순수 생산이 가능하다. 

 

전기 탈이온 성능향상을 위해서 이온 이동이 선택적으로 우수한 이온교환막을 사용하여야 하며, 물에 대한 투과계수가 낮은 것이 바람직하다. 양이온 교환막과 음이온 교환막을 접합하여 만든 바이폴라막은 여기에 전기장을 걸어주면 물을 분해하여 수소이온과 수산화이온을 생성한다. 바이폴라막을 이용하면 이온교환수지 재생 시 물 분해 효율을 높여 전기적 재생 효과를 향상시킬 수 있다. 

 

 

 

 

 

 

전기 탈이온 공정은 재래식 이온교환수지 시스템을 대체할 수 있으며 반도체 산업과 제약 및 바이오산업의 생산 공정용 순수 및 초순수 제조 분야에 활용할 수 있다. RO나 CDI 등의 전처리 단계를 거쳐 EDI를 이용하면 순수 및 초순수를 안정하게 연속적으로 생산할 수 있다. 이온교환수지의 화학약품에 의한 재생처리 없이 전기적으로 연속 재생되기 때문에 운전 비용이 저렴하다.

 

이온교환막을 이용하는 축전식 탈염(CDI)은 에너지를 절약하는 친환경 기술로써 정수처리, 경수 연수화, 재이용 수 처리 등에 활용되고 있다. 또한, 발전소나 열교환기 냉각수의 정수처리에도 이용할 수 있다. CDI 기술은 비표면적이 큰 탄소전극에 전기를 가하여 물속 양이온 또는 음이온을 선택적으로 흡착하여 제거하는 기술이며, 전극전위 변화에 따라 흡착과 탈착이 가역적으로 일어나는 탈염 기술이다. 

 

하전 된 전극 사이로 염수가 공급되면 하전 된 전극에 전기 구동력에 의해 양이온은 음극에, 음이온은 양극 탄소 표면에 각각 흡착되어 염수 이온들이 제거된다. 활성탄소(모노) 전극에는 주로 물 분해가 일어나기 어려운 약 1.5V 이하의 직류 전원을 인가하여 준다. 일정 시간이 지나 어느 정도 흡착이 이루어지면 두 전극을 단락(short)하거나 역 전위를 가하여 흡착된 이온들을 탈착시킨다(그림 3). 

 

탈염 성능에 영향을 미치는 흡착과 탈착 단계에서 기능성 이온교환막의 역할은 중요하다. 음극에는 양이온을 선택적으로 통과할 수 있는 양이온 교환막을 사용하고 양극에는 음이온을 선택적으로 통과할 수 있는 음이온 교환막을 쓴다. 이온들이 전극에 포화 흡착된 후 재생 시 탈착된 이온들이 상대편 전극에 다시 흡착하는 것을 이온교환막이 막아주어 재생 효율을 더욱 높일 수 있다. 

 

 

 

 

 

 

초기 단계(1960~1970)에서는 활성탄소 섬유나 카본 에어로젤을 전극 소재로 하여 탈염 가능성을 발표하였으나 탈염 성능이 미약한 것으로 알려졌다. 1960년대에 Blair와 Murphy에 의해 그 개념이 보고된 이후 지속적으로 연구개발이 되었으며 2006년 미국 Andelman 연구팀은 선택성 이온교환막이 사용된 MCDI(membrane capacitive deionization) 특허를 공개하면서 상업적으로 이용 가능하게 되었다. 

 

선택성 이온교환막을 사용하면 이온 탈착 단계에서 탄소전극의 기공을 채우던 이온들이 반대편 전극에 흡착되는 것을 효과적으로 방지할 수 있어서 전극 재생 효율을 높일 수 있다.

 

일반적으로 CDI에 사용하는 이온교환막은 이온 투과 선택성이 높고, 막 전기저항이 낮으며, 기계적 물리적 강도가 우수하고, 화학 안정성도 요구된다. 미국에서 첫 CDI 공정에 적용한 이온교환막은 기존 ED 공정에 사용하던 양이온 교환막과 음이온 교환막이었다. 이 막은 ED 공정의 희석실과 농축실의 독자적인 통로를 확보하고 유체 흐름에 견딜 수 있는 물리적 강도를 유지해야 한다. 따라서 어느 정도 두께 이상의 이온교환막이어야 하고 여기에는 기계적 물성을 강화할 수 있는 보강재가 들어가 있다. 

 

일반적으로 CDI 전극은 상용 집전체(예, 그래파이트 시트) 표면에 활성탄소를 코팅한 후 이온교환막을 탄소 표면에 직접 접촉하는 형태로 장착하여 만든다. 따라서 CDI 전극에 쓰이는 이온교환막은 막이 단독으로 유체의 흐름에 노출되지 않고 이면에 탄소로 코팅된 집전체가 바로 지지하고 있어서 막 두께가 아주 얇더라도 사용하는 데 큰 문제가 없다. 얇은 이온교환막의 장점은 막 두께가 작음으로 인해 이온 투과성이 증대되고 물질전달 저항을 줄일 수 있다는 것이다.

 

종래 ED 공정에 쓰던 상업용 균질 이온교환막을 이용하면 이온교환 성능은 우수하나 가격이 비싸고 막 두께가 상대적으로 두꺼워서 다수 전극층으로 이루어지는 CDI 전극의 부피도 커진다, 이에 따라 이온교환막을 포함하는 CDI 전극 제작 시 모듈 크기가 커지고 고가의 비용이 소요될 수 있다. 막 두께가 얇은 복합 이온교환막을 CDI 전극에 사용하는 경우 이온교환막 가격이 저렴해지고 적층된 전극모듈 부피도 줄어들 수 있어 제조원가의 경쟁력이 높아지는 장점이 있다.      

         

전기화학적인 방법에 의해 수 처리에 사용되는 이온교환막은 저렴한 가격, 내화학성 및 내구성이 요구된다. 이에 적합한 고분자 소재로써 기계적 물성과 열 특성이 우수한 범용 엔지니어링 플라스틱을 이용한 이온교환막 제조 연구가 이루어져 왔다.6,7 이온교환 기능을 부여하는 친수성(예, 술폰산, 4급 암모늄)기를 도입함에 따라 이온교환 용량, 막 전기저항, 함수율 등 이온교환막 물성이 결정되며 CDI 탈염 성능에 영향을 미칠 수 있다. 

 

막의 전기저항과 막 두께는 물질전달과 이온 이동속도에 영향을 줄 수 있다. 이온교환막의 팽윤성에 따라 그 막의 크기나 부피가 달라질 수 있기 때문에 함수율 변화를 어느 수준 이하로 유지하는 것이 좋다. 따라서 전극모듈 제작의 경험상 이온교환막 함수율이 30% 이하가 바람직하다.

 

종래에 균질 이온교환막을 주로 CDI에 사용하고 있었으나, 새로운 기공 함침(pore-filling) 막 또는 복합 이온교환막이 개발되고 있다. 학회에 발표된 연구 결과에 따르면(그림 4)8 공급 수의 유량과 온도, 나트륨염의 종류, 스페이서 두께에 따라 CDI 성능도 달라졌다. NaNO3 제거율은 NaCl보다 약간 높았으며, Na2SO4와 NaHCO3 제거율은 NaCl보다 낮았다. 조사한 실험 범위 내에서는 균질막 > 복합막 > 불균질막의 순으로 TDS 제거율이 높았다. 두께가 얇고 적절한 물성을 지닌 복합 이온교환막은 CDI 성능과 가격 경쟁력 향상에 유망한 이온교환막이 될 수 있다. 

 

 

 

 

 

 

CDI 정수처리 기술은 3단계로 운전공정으로 이루어져 있다. 첫째는 흡착 단계로 전기적인 인력에 의해 이온들이 각 이온교환막을 통과하여 양이온은 음극 활성탄소 표면에, 음이온은 양극 활성탄소 표면에 머무른다. 둘째는 재생하는 단계로 전극에 역전위를 인가하거나 전기를 공급하지 않으면 전극에 흡착된 이온들이 탈착하게 된다. 셋째는 배출 단계로 재생 시 나온 이온교환막 사이의 탈 이온들은 공급수에 의해 밖으로 나오게 된다. CDI 기술은, 재생할 때 화학약품을 사용하지 않기 때문에 2차 오염물질의 발생 문제가 없고, 장치의 구성이 단순하며 전기적인 조작에 의해 흡·탈착을 쉽게 할 수 있는 친환경 차세대 정수처리 공정기술이다.     

 

네덜란드 볼테아(Voltea) 사는 정수처리에 있어서 축전식 탈염(CDI)이 낮은 에너지 비용, 높은 물 회수율, 재생 시 화학약품 배제, 운영비용 감소 등의 장점이 있다고 밝혔다. 특히 식료품 공장 냉각탑에 적용하여 재순환하는 물을 5배 이상 더 오래 사용하도록 함으로써 물 절약에도 뛰어난 CDI 기술을 입증하였다.9 중국 EST 사는 1,000㎥/hr 급 대용량 산업 및 도시하수처리시설에 CDI 시스템을 적용하였다.

 

 

Ⅲ. 제품 개발 및 활용

 

 

3.1. 축전식 탈염 장치(CDI)

 

CDI는 캐패시터(capacitor) 원리를 이용하여 양과 음으로 하전된 전극을 통해 물속 용존이온을 제거하는 탈염 기술이다. 일반적으로 1~2V(모노 전극)의 낮은 전압에서 구동된다. 기존 탈염 기술 중 하나인 RO의 경우 높은 압력이 필요하고 공급되는 물의 30~40%가 회수되지 않고 버려지는 단점이 있다. 반면에 CDI는 공급수 회수율이 최대 90%까지 운전 가능하고 전극 재생 과정에서 화학물질을 사용하지 않아 2차 폐기물 발생이 없는 환경친화적 탈염 기술이다.

 

국내 연구개발은 대학이나 연구소에서 실험실 규모의 CDI 전극과 모듈을 제조하고 전기화학 원리 적용 및 분리 기술에 관해 연구한 것으로부터 비롯되었다. 초기에 CDI 전극은 집전체(그래파이트 시트) 표면에 활성탄소 분말을 코팅하고 해외로부터 수입한 ED 공정용 이온교환막을 이용하여 만들었다. 

 

2000년대에 들어 국내 일부 중소기업을 중심으로 미국 AQUA EWP 사의 CDI 모듈을 수입하여 상업적으로 활용하였다. 대량생산을 위한 탄소전극과 모듈 제조는 어려운 일이 아니었으나 해외로부터 수입하는 이온교환막 가격이 비싼 것이 시장 확대의 걸림돌이었다. 전극 모듈 제작 단가에서 이온교환막이 상당히 높은 비중을 차지하였기에 CDI 기술을 상업화하기 위해서는 가격이 저렴한 이온교환막의 국산화가 절실하였다. 

 

2010년대에 정부가 관련 기술의 연구개발을 지원한 것에 힘입어 CDI 전극 기술은 해외 소재를 도입하는 단계에서 국내 기술개발단계로 접어든다. 국내 기술로 이온교환 소재를 합성한 후 이 이온교환 용액을 탄소전극 표면에 직접 코팅하여 막 형태로 결합하게 하는 방법이 시도되었으며 출원 특허와 논문10,11에 나타나 있다. 

 

탄소전극 표면에 이온교환 고분자를 코팅하는 경우 코팅층 두께는 보통 20㎛ 이하이다. 탄소전극 표면에 직접 코팅하여 막 형태로 만들 때, 막 두께가 10~20㎛이므로 상업용 ED 균질막 두께가 150㎛(일본 Astom 사) 내외인 것을 감안하면 이온교환막 두께가 약 1/10로 줄어들어 소형화와 가격 면에서 유리하다. 

 

또한, 이 방법은 다수로 적층되는 CDI 전극 특성상 두께가 얇은 이온교환막의 누적으로 전체적인 전극 모듈 부피가 줄어들어 크기가 작아질 수 있다. 하지만 이온교환 소재 용액을 탄소전극 표면에 직접 코팅하는 방법은 코팅 후 유기용매를 완전하게 건조하는 데 문제가 있고 전극제조 생산성이 떨어지는 단점이 있다.     

           

최근에 막 두께가 20㎛ 내외의 복합 이온교환막이 국내에서 개발되고 있고 이를 탄소전극에 접합하여 CDI 전극으로 활용하는 노력이 이루어지고 있다. 이 복합 이온교환막은 다공성 지지체에 이온교환 소재를 함침 또는 함침과 동시에 이루어지는 표면 코팅을 통해서 제조된다. 이 제조법은 새로운 시도로써 이온교환막 제조의 확장발전 단계로 볼 수 있다. 

 

또한, 연속적으로 대량 생산할 수 있는 롤투롤(roll to roll) 방식으로 제조되는 탄소전극과 얇은 두께의 복합 이온교환막 합지 방식에 의해 생산성이 높은 CDI 전극을 만들 수 있다. 이때 사용되는 복합 이온교환막은 기존 ED에 적용하던 고가의 균질 이온교환막을 대체할 수 있어서 CDI 전극의 가격 경쟁력을 높일 수 있다. 

 

미국에서 처음 상용화한 CDI 모듈은 비교적 소용량 처리할 수 있는 정사각형 형태였으나, 그 이후 CDI 모듈 제작기술이 발전함에 따라 원통형 등 다양한 모듈 형태로 개발이 이루어지고 있다. 탄소전극 크기도 10×10cm에서 훨씬 더 큰 직경의 모듈로 발전하여 대용량으로의 확장 시 용이할 수 있다. 또한, 원통 실린더형 모듈이 다른 각형에 비해 시스템 공간 구성이나 용량 확장성 면에서 유리하다.

 

기존에는 각 CDI 전극에 1.5V 이하의 개별 전위를 걸어주는 모노 타입(mono type)이 주로 사용되었으나 최근에는 각 전극 단자에 터미널 연결 없이 적층으로 그 구조가 이루어지고 양단 전극에 높은 전압을 인가하는 바이폴라 타입(bipolar type)이 개발되고 있다. 이는 시스템 제어기술 발전으로 가능하게 되었는데 전극 모듈 제작 생산성이 높아져 CDI 전극 생산원가가 낮아지고 조립성이 우수하다. 또한, 직렬 또는 병렬형의 연결 확장성도 좋아 대용량의 정수처리 시스템 제작에 유리하다(표 2).¹²

 

 

 

 

 

국내 슈퍼커패시터 전문 생산기업인 ㈜퓨리켐은 전기이온층 커패시터(ELDC) 원리를 기반으로 1~5톤/일 규모의 CDI 전극과 모듈을 개발하였다. ㈜시온텍은 CDI 전극용 소재부품을 국산화하고 사각형과 원통형 모듈을 개발하였으며, 탈염 처리 용량은 30~100톤/일에 달한다. 

 

두산중공업은 2020년 한국지역난방공사 화성지사에 하루 500톤 규모의 CDI 실증 플랜트를 설치해 현장 실증화를 수행한 바 있다. 이온교환막이 장착된 CDI 기술은 일반적인 탈염에도 적용되며 반도체와 제약산업의 초순수, 가정과 산업용 보일러 수, 열교환기 냉각수, 세탁기 등 여러 산업 분야에서 광범위하게 활용될 수 있다.

 

 

3.2. 축전식 탈염 하이브리드 장치(CDI hybrid)

 

탈염에는 여러 가지 공정이 있으나 일반적으로 많이 사용되는 것이 RO 방식이다. 순수 제조 시 RO를 단독으로 활용하면 회수율이 낮기 때문에 RO를 연속으로 2단으로 설치하여 물 회수율을 높이는 방법이 있다. 또 다른 방법은 두 번째 RO 대신에 CDI를 설치하여 RO-CDI 하이브리드로 적용하는 것이다.^13,14 이 하이브리드 탈염 기술은 물 회수율이 높고 만족할만한 수질 획득이 가능하며 저비용 구조로 에너지 효율이 높다는 장점이 있다. 초순수 제조에 있어서 CDI 하이브리드를 설치함으로써 이온교환수지 또는 EDI 설비 용량 부담완화에 큰 기여가 가능하다(그림 5).

 

 

 

 

 

 

3.3. 전기 탈이온 장치(EDI)

 

고순도의 순수 또는 초순수를 필요로 하는 발전소와 공장, 반도체 산업 분야에 전기 탈이온 장치(EDI)가 적용되고 있다. 이 장치는 이온교환수지와 이온교환막으로 구성되어 있으며, 전기장 하에서 양이온과 음이온이 제거되어 순수가 제조된다. 이온교환수지의 교체나 재생이 필요하지 않아 운전중단 없이 연속 생산이 가능하다.

 

국내에서는 이온교환막이 장착된 모듈을 수입하거나 해외로부터 들여온 이온교환막으로 독자적인 모듈을 개발하여 EDI 시스템을 설치·운영하고 있다. 이온교환 수지는 국내에서 대량 생산되어 시장 경쟁력을 갖추었으나 이온교환막의 제조기술은 실험실 규모나 파일럿 단계에 머무르고 있다. 이온교환막 제조기술의 신뢰성과 시장 형성 미흡으로 국산 이온교환막이 시장진출에 어려움을 겪고 있다.

 

 

Ⅳ. 결론 

 

생활용수나 산업용수로 사용되는 물은 정수처리를 통해서 물속의 이온을 제거하게 되는데, 본 보고서에서는 이온교환막을 이용하는 탈염 기술과 최근 활발히 개발되고 있는 축전식 탈염(CDI) 기술에 관해 설명하였다. 에너지 소모가 적고 물 회수율이 높으며 폐수가 적게 발생하는 탈염 기술 즉, CDI 기술이 국내에서 소재부품 개발과 함께 상업화가 추진되고 있다. 

 

초기 CDI 기술의 경우 가격도 비싸고 막 두께도 두꺼운 균질 이온교환막을 사용하였는데, 이는 전기투석(ED)에 활용하던 기존 상용 막이다. 최근 국내에서 탄소전극과 잘 어울릴 수 있고 가격도 저렴한 복합 이온교환막이 개발되었다. 이 복합 이온교환막은 균질 이온교환막보다 이온교환용량은 높지 않으나, 막 두께가 얇고 함수율이 작은 것이 특징으로, 탈염 성능을 크게 희생하지 않고도 전극 모듈 부피를 작게 줄일 수 있다. 현재보다 더 큰 용량으로 발전하기 위해서는 CDI 전극과 시스템 제어기술, 그리고 가격 경쟁력을 갖춘 대용량 모듈 설계 기술들이 계속 개발되어야 할 것이다. 

 

순수 또는 초순수 제조 시스템은 기존 RO와 이온교환막이 적용되는 CDI, 전기 탈 이온 장치(EDI)를 결합한 하이브리드(hybrid) 형으로 구성할 수 있다. 이 하이브리드 기술은 경제적인 고효율 탈염 기술을 구현하는 데 일익을 담당할 수 있을 것이다. 국내 ED 또는 EDI 기술의 모듈과 시스템 개발에 있어서 핵심 기술 중의 하나인 이온교환막 제조기술은 아직 국산화해야 할 과제이며, 향후 신뢰성 확보와 시장개척을 위한 노력이 필요하다.