이온교환막을 이용한 전기적 탈염기술은 막모듈 내에 양이온교환막과 음이온교환막을 교대로 장착시키고 모듈의 양단 전극에 전압을 적용함으로써 물속에 용존되어 있는 양이온과 음이온들을 전기의 힘을 이용하여 선택적으로 투과시키는 원리를 기반으로 하는 청정공정 기술이다. 이온교환막 공정은 전통적으로 산/알칼리의 생산, 산업폐수의 중금속의 제거, 해수의 담수화, 반도체 산업의 초순수의 제조, 해수에서 식염의 제조, 발효산업의 유기산 및 아미노산의 회수 등 다양한 산업분야에서 응용되어 왔다. 최근에는 이러한 기존의 응용분야에서 벗어나 새롭게 응용분야가 넓어지고 있다. 이온교환막과 다공성 탄소전극을 결합한 막축전식 해수담수화기술, 해수와 담수의 염도차를 이용한 역전기투석식 해수발전 등의 새로운 선택분리기능 및 응용분야를 가진 이온교환막의 개발 및 공정에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그러나 국내에서는 이온교환막이 아직 상용화되지 않고 있어 이온교환막을 이용한 응용연구가 활발하게 진행되지 못하고 있어 그 개발이 시급하다. 본 논문에서는 먼저 이온교환막을 이용한 전기투석식 탈염기술, 물분해 전기투석, 전기탈이온 공정에 관한 동향을 조사하였다. 아울러 미래의 이온교환막의 응용기술인 해수담수화기술로서 역삼투법과 경쟁하여 에너지를 낮게 소모할 것으로 예상되는 분리막을 이용한 막축전식 탈염기술과 무한한 신재생에너지원인 해수와 담수를 이용한 역전기투석 해수발전기술에 대해 기술의 원리들과 최근의 연구동향 등을 정리하였다.
Yang, Hyun S.;Cho, Byoung H.;Kim, Woong K.;Lee, Chang S.
Applied Chemistry for Engineering
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v.8
no.1
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pp.67-75
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1997
Heterogeneous cation exchange membrane consisting of cation exchange resin particles (diameter of less than $149{\mu}$) which are finely dispersed in a polyethylene matrix, were produced as forms of sheet. The characteristics were measured after treating hot water or saturated sodium chloride. When membranes were treated with hot water or saturated sodium chloride, cation exchange resin particles swell and expand pushing away the polyethylene matrix of membranes. The above treatment results the formation of narrow cavities between a cation exchange resin particles and polyethylene matrix, and the formation of fine micro-cracks on the polyethylene matrix. Thus, we were obtained good physical and electrochemical properties. On the treatment with hot water or saturated sodium chloride, the optimum conditions for good heterogeneous cation exchange membrane were treatment time of 30min and treatment temperature of $90^{\circ}C$.
Sulfonated polystyrene-divinylbenzene(PS-DVB) copolymer membranes were prepared using different diluents (toluene, cyclohexane, cyclohexanol), various diluent ratio and DVB contents. And initial fluxes of organic acids were investigated by varying pH and initial concentration. As a results, water content and ion-exchange capacity decreased with increasing DVB concetration. Among used diluents, cyclohexanol was the most efficient for building up the highest water content and ion-exchange capacity. In the experiment of permeation, carboxylic acid such as formic acid and acetic acid showed higher fluxes when pH was lower than pKa and amino add such as L-alanine showed minimum flux when pH was isoelectric value. The relationaship between initial fluxes and initial concentrations has been expressed by saturation kinetics.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.7
no.4
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pp.727-732
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2006
The object of this study was to investigate the influence of composition and concentration of electrolyte, ratio of cation to anion exchange resin of mixed ion exchange column in the performance of ion exchange. Also this work examined the removal capability of suspended solids by ion exchange resin and the effect of particule on the characteristics of ion exchange. Breakthrough time was extended as the amount of ions and particles present in liquid was decreased. The case of anion, the breakthrough sequence is $Cl^{-}, but the case of cation, the breakthrough sequence is $Na^{+}. As for the ratio of cation to anion exchange resin of 1:2, the breakthrough time was prolonged compared with that of 1:1 and 1:3. For the electrolyte of equal concentration containing suspended solid, breakthrough time was contracted less than 20%. It results in the increase in the removal capacity of cation exchange resin. For the higher ratio of cation exchange resin, suspended solids are shorten the cation's breakthrough time so that the runtime of ion exchange resin tower is increased.
Heterogeneous membranes were prepared by compression molding for the recovery of ammonium ion from waste water. Degree of sulfonation for sulfonated ion exchange resin increased with increasing amount of chlorosulfonic acid. It was 3.32 meq/g at 10 vol%. The tensile strength and elongation of the heterogeneous membrane was decreased with increasing contents of ion exchange resin. The tensile strength for LLDPE matrix membrane was the highest and also the elongation for EVA matrix membranes were the highest. The water content of heterogeneous membrane was increased with increasing contents of ion exchange resin. The maximum value of transport number for PE matrix membrane was 0.973. The electrical resistance of LLDPE matrix membrane was the lowest. It was value of $10.36{\Omega}/cm^2$ at 70 wt% resins.
Ion exchange process was optimized to purify ultrafiltrated bean cooking water(BCW) for the production of soy-oligosaccharides. The ultrafiltrated BCW with cutoff MW(COMW) 20,000 membrane was treated with various ion exchange resins. Protein and ash were mostly removed by anion and cation exchange resins, respectively. Based upon removing capabilities for ash and protein, a cation exchange resin(SK1B) and an anion exchange resin(WA30) were selected. Protein and ash were more efficiently removed at low extract/resin ratios(ERR), but part of the oligosaccharides were concomitantly lost. When 2-step-ultrafiltrated BCW first with COMW 20,000 membrane and successively with COMW 5,000 membrane was treated with a mixed resin(SK1B : WA30 =1 : 2) at ERR 5.0, most oligosaccharides were recovered in a clear protein- and ash-free liquid.
In this study, the sulfonated SBS cation-exchange membrane was prepared by post-sulfonation. Degree of sulfonation(DS), water-uptake, ion exchange capacity and electrical resistance and conductivity of sulfonated SBS were investigated as a function of sulfonation time. The DS of sulfonated SBS membrane was increased with increasing the reaction time and concentration of sulfuric acid. The maximum value of DS was 24.0%. And also, the water uptake and ion exchange capacity of the sulfonated SBS membrane were increased as increasing the value of DS. The values of water uptake and IEC were 41.2% and 0.80 meq/g, respectively. The electrical resistance and conductivity of the membrane showed $23.6{\Omega}{\cdot}cm^2$ and $4.24{\times}10^{-4}S/cm$, respectively.
The cation-exchange membrane which was sulfonated styrene-ethylene/buthlene-styrene(SEBS) block copolymer containing the high impact polystyrene (HIPS) was prepared via post-sulfonation and casting method using the epoxidized polybutadiene and divinylbenzene as crosslinking agents. Post-sulfonation was carried out with sulfuric acid as sulfonating agent and silver sulfate as initiator in the nitrogen atmosphere. The basic properties of membranes, degree of sulfonation (DS), water uptake, ion-exchange capacity (IEC), electrical resistance, and modulus have been examined. DS of membrane increased with increasing the sulfonation time. The maximum DS of membrane containing 10 wt% HIPS was 83.6 %. The water uptake and IEC of membranes gradually increased as increasing the DS. The maximum water uptake and IEC of membranes were 43.8 % and 1.14 meq/g, respectively. The lowest electrical resistance of membrane containing the 20 wt% HIPS was $83\;\Omega{\cdot}cm^2$. The electrical conductivity of membrane containing 10 wt% HIPS was $1.22\times10^{-4}S/cm$. The modulus of membrane increased with increasing DS and these values were 153 and $204\;kgf/cm^2$ before and after sulfonation, respectively.
The effects of bipolar interface formed on the surface of cation-exchange membrane on water splitting phenomena were investigated. Results showed that the formation of immobilized bipolar interface resulted in significant water splitting during electrodialysis. In particular, the immobilized bipolar interface was easily created on the cation-exchange membrane surface in the electrodialytic systems where multivalent cations served as an electrolyte. Multivalent cations with low solubility product resulted in violent water splitting because they were easily precipitated on the membrane surface in hydroxide form. Therefore, the bipolar interface consisting of H- and OH-affinity groups were formed on the membrane-solution interface. Apparently, water splitting was largely activated with the help of strong electric fields generated between the metal hydroxide layer and fixed charge groups on the membrane surface. Likewise, the accumulation of large molecular counter ions on the membrane surface led to the formation of a fixed bipolar structure that could cause significant water splitting in the over-limiting current region. Therefore, the prevention of the immobilization of bipolar interface on the membrane surface is very essential in improving the process efficiency in a high-current operation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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