Investigation of Ion-Driven Currents through Nanoporous Membranes for Enhanced Current Generation and Energy Efficiency in Electrokinetic Systems = 전기수력학 시스템에서 전류 생성 및 에너지 효율 증대를 위한 나노다공성막을 통한 이온 기반 전류 수송 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation explores advanced electrokinetic phenomena in micro- and meso-fluidic systems, focusing on current-ion transport through ion selective membranes. Two major challenges are addressed.
In the first part, the study reports that microchannels coated with highly charged nanoporous layer display pronounced nonlinear streaming current behavior, breaking the classical linear flow-current relationship. Experimental and numerical analyses identify a reverse conduction current inside the membrane that opposes the pressure-driven streaming current. Reducing the Nafion layer thickness suppresses this counter flow, restores a near linear response, and substantially increases the streaming current magnitude. These results underline the decisive influence of the membrane’s structural and electrochemical properties on streaming current performance.
The second part develops an integrated process that couples ion concentration polarization (ICP) purification with hydrogen gas generation. Exploiting competitive transport between sodium (Na⁺) and proton (H⁺) ions, a single module simultaneously yields fresh water and hydrogen gas. Tests with micro- and meso-fluidic modules show that, under optimized conditions, high purification efficiency is maintained while a meaningful share of the electrical input is recovered as chemical energy stored in the produced hydrogen. This unified strategy transforms ICP from an energy intensive separation into a sustainable solution capable of addressing water and energy needs concurrently.
Through detailed experiments and modelling, the dissertation provides a comprehensive framework for designing next-generation electro-kinetic systems. The proposed strategies advance the broader goals of clean-water and clean-energy technologies, offering scalable and efficient answers to global challenges.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 나노다공성 멤브레인을 통한 전류-이온 수송을 중심으로 마이크로 및 메조 유체 시스템의 최신 전기운동 현상을 탐구한다. 연구는 크게 두 과제를 다룬다: (i) 고전하 나노다공성 멤브레인으로 코팅된 마이크로채널에서 처음으로 관찰된 비선형 스트리밍 전류 현상의 발견, 원인 규명 및 억제와 (ii) 이온 농도 분극(ICP)을 이용해 담수화와 수소 생산을 동시에 실현하는 통합 공정의 개발이다.
첫 번째 부분에서는 기존 시스템이 보여 온 유속-전류의 선형 관계가, 나피온(Nafion) 층이 코팅된 마이크로채널에서는 뚜렷한 비선형 형태로 무너진다는 사실을 최초로 보고한다. 이는 나피온 내부에서 발생하는 역방향 전도 전류가 압력 구동 스트리밍 전류를 상쇄하기 때문이다. 실험 및 수치 분석을 통해 이러한 원인을 규명하고, 나피온 두께를 줄여 역전류를 억제함으로써 비선형성을 완화하고 스트리밍 전류 값을 크게 상승시켰다. 이 결과는 나노다공성 멤브레인의 구조적·전기화학적 특성이 스트리밍 전류 성능에 미치는 결정적 역할을 강조한다.
두 번째 부분에서는 ICP 기반 담수화에 수소 생산을 접목하여 공정 효율을 높이는 방법을 제안한다. 나트륨 이온(Na⁺)과 수소 이온(H⁺) 간 경쟁 수송을 이용해, 하나의 모듈 내에서 담수화와 수소 발생이 동시에 이루어진다. 마이크로·메조 유체 장치 실험 결과, 최적 조건 하에서 높은 담수화 성능을 유지하면서도 생성된 수소를 통해 투입 전력의 상당 부분을 회수할 수 있음을 확인하였다. 이 통합 접근법은 ICP 기술을 물-에너지 문제를 동시에 해결하는 지속 가능한 솔루션으로 전환한다.
세부적인 실험 및 모델링을 통해 본 논문은 차세대 전기운동 시스템 설계를 위한 포괄적인 프레임워크를 제시한다. 제안된 전략은 깨끗한 물과 청정 에너지 기술의 발전에 기여하며, 글로벌 도전에 대응할 확장 가능하고 효율적인 해결책을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Abbreviation i
• Abstract ii
• Table of contents iv
• List of figures vii
• List of tables xii
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Nafion 1
• 1.2. Streaming current 3
• 1.3. Permselectivity of a nanoporous membrane 7
• 1.4. Ion concentration polarization (ICP) 9
• 1.5. Purification based on ion concentration polarization (ICP purification) 12
• 1.6. Thesis objective 15
• Chapter 2. Revealing and Suppressing Nonlinear Behavior of Streaming Current in Highly Charged Nanoporous Layer Coated Microchannels[1] 17
• 2.1. Introduction 17
• 2.2. Materials and methods 19
• 2.2.1. Experimental methods 19
• 2.2.1.1. Device fabrication 19
• 2.2.1.2. Experimental setup 21
• 2.2.2. Numerical methods 24
• 2.2.2.1. Numerical domain descriptions 24
• 2.2.2.2. Governing equation and boundary conditions 25
• 2.3. Resuls and discussion 32
• 2.3.1. Nonlinear streaming currents on nanoporous membrane coated surface 32
• 2.3.2. Non-negligible conduction current through a highly charged nanoporous membrane 37
• 2.3.3. Scaling analysis of parameters governing nonlinearity of streaming current 41
• 2.4. Conclusions 49
• Chapter 3. On-Site ICP Purification with Concurrent Hydrogen Generation: A Portable Dual-Resource Module for Water Treatment 52
• 3.1. Introduction 52
• 3.2. Experimental methods 59
• 3.2.1. Device fabrication 59
• 3.2.2. Experimental setup 63
• 3.3. Results and discussion 66
• 3.3.1. Demonstration of ICP purification with simultaneous hydrogen production in microfluidic system 68
• 3.3.2. Demonstration of ICP purification with simultaneous hydrogen production in mesofluidic system 74
• 3.3.3. Ion transport competition through nanoporous membrane 82
• 3.3.3.1. Analysis of Na+ Ion Transport 82
• 3.3.3.2. Analysis of H+ Ion Transport 87
• 3.4. Conclusions 90
• Chapter 4. Conclusions 93
• Bibliography 95
• Abstract in Korean 101