본 학위논문에서는 유기성 폐기물 유래 탄소 전극을 활용한 흐름 전극 축전식 탈염 공정의 기수 담수화 기술로서 적용 가능성을 체계적으로 평가하였다. 본 학위논문의 주된 목적은 유기성 ...

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Chuncheon : Kangwon National University, 2025
Thesis(Ph.D.) -- Graduate School, Kangwon National University , Department of Integrated Energy and Infra System , 2025
2025
영어
563.7 판사항(6)
621.042 판사항(23)
강원특별자치도
xvi, 250 pages : illustrations ; 30 cm
Adviser: Kangmin Chon
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본 학위논문에서는 유기성 폐기물 유래 탄소 전극을 활용한 흐름 전극 축전식 탈염 공정의 기수 담수화 기술로서 적용 가능성을 체계적으로 평가하였다. 본 학위논문의 주된 목적은 유기성 폐기물 유래 탄소 전극의 원료와 열분해 조건을 최적화함으로써 이의 유동 전극으로써 실현 가능성을 규명하고, 기수 담수화 성능과 연관된 유기성 폐기물 유래 탄소 전극의 주요한 속성(공극, 전기전도도, 젖음성 및 탭밀도)에 알칼리성 화학적 활성화 방법과 탄산칼슘 기반 템플레이팅 방법이 미치는 영향을 조사하며, 유기성 폐기물 유래 탄소 전극을 활용한 흐름 전극 축전식 탈염 공정의 경제성을 축전식 탈염공정과 비교하여 확인하는 것이다.
유기성 폐기물 유래 탄소 전극의 제조를 위한 최적의 원료 및 열분해 가스 분위기는 각각 쌀겨와 이산화탄소였다. 높은 열분해 온도는 쌀겨 유래 탄소 전극의 물리적 속성과 방향성을 향상시키는데 효과적이었으며, 이로 인해 흐름 축전식 탈염 공정의 전기화학적 속성 또한 향상하였다. 하지만, 800°C/이산화탄소 조건에서 제조된 쌀겨 유래 탄소 전극(RHCE800-C)을 활용한 흐름 전극 축전식 탈염 공정은 500°C, 650°C 와 800°C에서 제조된 쌀겨 유래 탄소 전극을 활용하였을 때보다 수율로 정규화된 기수 담수화 성능이 더 우수하였다. 따라서, 쌀겨 유래 탄소 전극의 열분해 온도는 800°C로 설정하였다.
탄산칼슘 기반 템플레이팅 방법은 알칼리성 화학적 활성화 방법보다 RHCE800-C의 공극, 전기전도도, 젖음성 및 탭밀도를 향상하는데 더 효과적이었다. 이로 인해, 탄산칼슘 기반 템플레이팅 방법(RHCE800-C와 탄산칼슘 템플레이트 혼합비 = 0.50)으로 개질된 RHCE800-C(RHCECC0.50-800-C)를 활용한 흐름 전극 축전식 탈염 공정이 RHCE800-C와 2.0 M 수산화나트륨 기반 화학적 활성화 방법으로 개질된 RHCE800-C(RHCESH2.0-800-C)보다 더 우수한 기수 담수화 성능을 나타냈다(기수 담수화 성능: RHCE800-C = 0.0488 mg/cm2‧min, RHCESH2.0-800-C = 0.0696 mg/cm2‧min 및 RHCECC0.50-800-C = 0.0804 mg/cm2‧min). RHCE800-C, RHCESH2.0-800-C 및 RHCECC0.50-800-C를 활용한 흐름 전극 축전식 탈염 공정의 담수화 기작은 전기 투석, 전기 흡착 및 유도전류 반응이었다.
RHCE800-C, RHCESH2.0-800-C 및 RHCECC0.50-800-C의 제조 비용은 활성탄(MSP-20X)보다 매우 낮은 것을 확인하였다(제조비용: RHCE800-C = 33.93 $/kg, RHCESH2.0-800-C = 49.23 $/kg, RHCECC0.50-800-C = 37.50 $/kg 및 MSP-20X = 453.80 $/kg). RHCE800-C, RHCESH2.0-800-C 및 RHCECC0.50-800-C을 활용한 흐름 전극 축전식 탈염 공정의 비용으로 정규화된 기수 담수화 성능은 모두 활성탄 보다 높은 것으로 보아, RHCE800-C, RHCESH2.0-800-C 및 RHCECC0.50-800-C은 우수한 경제성을 갖는 것으로 사료된다. 특히, RHCECC0.50-800-C을 활용한 흐름 전극 축전식 탈염 공정의 비용으로 정규화된 기수 담수화 성능이 RHCE800-C와 RHCESH2.0-800-C 보다 상당히 우수하였다. 또한, RHCECC0.50-800-C을 활용한 흐름 전극 축전식 탈염 공정의 고유 소비 전력은 축전식 탈염 공정보다 낮기 때문에, RHCECC0.50-800-C을 활용한 흐름 전극 축전식 탈염 공정은 물 부족 현상을 해결하기 위한 담수를 생산하는 유망한 기술이라고 판단된다.
다국어 초록 (Multilingual Abstract)
Brackish water desalination via flow-electrode capacitive deionization (FCDI) utilizing organic waste-derived carbonaceous electrodes for producing fresh water was systematically evaluated. The main purposes of this dissertation were to (i) identify t...
Brackish water desalination via flow-electrode capacitive deionization (FCDI) utilizing organic waste-derived carbonaceous electrodes for producing fresh water was systematically evaluated. The main purposes of this dissertation were to (i) identify the effects of feedstock types and pyrolysis conditions (i.e., gas atmospheres and pyrolysis conditions) for fabricating organic waste-derived carbonaceous electrodes on brackish water desalination performance of the FCDI process, (ii) investigate the effects of the chemical activation using alkali agents and the calcium carbonate (CaCO3)-based templating method on the physicochemical properties of organic waste-derived carbonaceous electrodes related to brackish water desalination performance of the FCDI process, and (iii) demonstrate the feasibility of the FCDI process utilizing organic waste-derived carbonaceous electrodes for brackish water desalination.
The optimal feedstocks and gas atmospheres for the fabrication of organic waste-derived carbonaceous electrodes were rice husks and carbon dioxide, respectively. Higher pyrolysis temperatures were effective in improving the physical properties and bulk conductivity of rice husk-derived carbonaceous electrodes, resulting in excellent electrochemical performance of the FCDI stack. Nonetheless, the FCDI process utilizing rice husks-derived carbonaceous electrodes produced at 800 °C/carbon dioxide conditions (RHCE800-C) exhibited a higher average salt removal rate (ASRR) normalized with yields compared to those of 500 °C, 650 °C, and 950 °C. Hence, the pyrolysis temperatures of rice husk-derived carbonaceous electrodes were set to 800 °C.
To enhance the electrochemical performance of the FCDI stack, the CaCO3-based templating method was more beneficial in improving the physicochemical properties of RHCE800-C compared to the chemical activation using alkali agents (i.e., sodium hydroxide (NaOH)). As expected, the highest brackish water desalination performance was found for the FCDI process utilizing CaCO3-templated RHCE800-C at 0.50 of the mixing ratios of RHCE800-C and CaCO3-templates (RHCECC0.50-800-C; ASRR = 0.0804 mg/cm2‧min) than RHCE800-C (ASRR = 0.0488 mg/cm2‧min) and 2.0 M NaOH-activated RHCE800-C (RHCESH2.0-800-C; ASRR = 0.0696 mg/cm2‧min). Brackish water desalination via the FCDI process utilizing RHCE800-C, RHCESH2.0-800-C, and RHCECC0.50-800-C progressed through electrodialysis, electrosorption, and Faradaic reactions.
The manufacturing costs of RHCE800-C (33.93 $/kg), RHCESH2.0-800-C (49.23 $/kg), and RHCECC0.50-800-C (37.50 $/kg) were considerably lower than activated carbons (MSP-20X; 453.80 $/kg). The higher cost-normalized ASRR values of the FCDI process utilizing RHCE800-C, RHCESH2.0-800-C, and RHCECC0.50-800-C (0.226–0.343 mg/cm2·min·$) compared to MSP-20X (0.028 mg/cm2·min·$) suggest that RHCE800-C, RHCESH2.0-800-C, and RHCECC0.50-800-C have excellent economic feasibility. Among them, the FCDI process utilizing RHCECC0.50-800-C exhibited the highest cost-normalized ASRR values (0.343 mg/cm2·min·$). Moreover, the FCDI process utilizing RHCECC0.50-800-C exhibited a lower specific energy consumption (0.63–1.32 kWh/m3) than membrane capacitive deionization (specific energy consumption = 0.70–1.80 kWh/m3). Hence, the FCDI process utilizing RHCECC0.50-800-C should be a promising option to secure alternative water resources for solving the water shortage through brackish water desalination.
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