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다공성 탄소나노재료를 사용하는 Capacitive Deionization 공정의 염수 제거효과
양천모 ( Yang Cheon Mo ),최운혁 ( Choe Un Hyeog ),조병원 ( Jo Byeong Won ),조원일 ( Jo Won Il ),윤경석 ( Yun Gyeong Seog ),한학수 ( Han Hag Su ) 한국공업화학회 2004 공업화학 Vol.15 No.3
다공성 탄소재료를 이용하여 만든 전극을 사용해서 전기화학적으로 이온을 흡착시켜 제거시키는 capacitive deionization (CDI) 특성을 다공성 탄소재료의 종류에 따라서 조사하였다. CDI에 의한 담수화는 충전 시, 두 개의 다공성 탄소전극에 적절한 전압을 인가하고 그 사이로 이온들이 함유된 물을 흘려주어 양이온은 음극에, 음이온은 양극에 흡착되어 이온들이 서로 분리되고, 양이온과 음이온으로 포화된 탄소전극은 반대 전압을 인가하거나 탄소전극을 서로 연결(Short circuit)해주면 흡착된 이온들이 탈리되는 원리이다. 다공성 탄소 전극 재료로는 탄소에어로젤 (specific surface area : 950 ㎡/g, pore volume : 3.71 ㏄/g, pore diameter : 15.19 ㎚)과 활성탄소(BP-25: specific surface area 2500 ㎡/g, Kansai Coke & Chemicals Co. Ltd), 탄소나노튜브(MWNT type, 10~20 ㎚ diameter, ILJIN Nanotach), 그리고 탄소나노섬유(straight type, 130~150 ㎚ diameter, Nanomirae Co. Ltd)를 전극 활물질로 사용하여 침지법으로 CDI용 탄소전극을 각각 제조하였으며, 0.9 V 충전과 -0.001 V 방전, 휴기(rest) 과정을 1회로 하여 CDI 특성을 탄소전극 활물질의 종류에 따라 10회 동안 조사하였다. 충전과 방전 시 평균 전하량은 활성탄소를 이용한 전극에서 각각 0.229〔Aㆍmin〕와 0.143〔Aㆍmin〕으로 가장 높았으며, 활물질의 양을 고려한 평균 방전 비전하량의 경우, 전극 활물질로서 탄소에어로젤이 0.593〔Aㆍmin〕으로 가장 높게 나타났다. 10회 충-방전 싸이클에 대한 전하량 효율은 탄소에어로젤이 63.98%로 가장 우수하였으며, 활성탄소(62.45%)와 탄소나노섬유(56.50%)도 비교적 안정하게 나타났다. Capacitive deionization (CDI) process is a removal process of ions via electrochemical adsorption using porous carbon materials. The ions are adsorbed onto the surface of porous carbon electrodes by applying electric field to brackish water. Adsorbed ions are desorbed from the surface of the porous carbon electrdes by eliminating the field or reversing electric field, resulting in the regeneration of electrodes. Recently, carbon aerogel electrodes, one of the porous carbon materials, are bring used for CDI process. In this study, the electrode using carbon aerogel (specific surface area: 960m^(2)/g, pore volume: 3.71 cc/g, and pore diameter: 15.19 nm), activated carbon(BP-25: specific surface 2500m^(2)g, frpm Kansai Cole & Chemicals Co. Ltd), carbon nanotube (MMMT type, 10-20 nm diameter, from ILJIN Nanotech) and carbon nanofiber (straight type, 130∼150 nm diameter, from Nanomirae Co. Ltd) were fabricated by dip coating method. Porous carbon electrodes were charged at 0.9 V, discharged at -0.001 V, cycled 10 times, and their CDI performances were compared with CDI characteristics. An activated carbon electrode showed higher average charge and discharge coulombs than others and its average charge and discharges were 0.229 [Aㆍmin] and 0.143 [Aㆍmin], respectively. At the average discharge specific-coulombs, a carbon aerogel electrode had highest average specific discharge coulomb of 0.593 [(Aㆍmin)/g]. The values of coulombic-efficiencies showed 63.98% for the carbon aerogel electrode, 62.45% for the activated carbon, and 56.50% for the carbon nanofiber.
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