단쇄 과불화화합물 처리용 비대칭 축전식 탈염 기술의 탈염 속도 특성 조사 = Investigation of the Deionization Rate of Asymmetric Capacitive Deionization Technology for the Treatment of Short-Chain Perfluoroalkyl Substances (PFAS)

국문 초록 (Abstract)

목적:본 연구는 비대칭 막 축전식 탈염 장치(ACDI)를 도입하고, 평가하여 수용액에서 단쇄 과불화화합물 (PFAS), 특히 퍼플루오로부탄술폰산(PFBS)의 제거 효과를 분석하는 것을 목표로 한다.
방법:기존 막 축전식 탈염 장치(MCDI) 시스템에서 음이온 교환막을 제거한 ACDI를 사용하였다. 전압 (0.5-1.2 V), 초기 농도 (50-500 mg/L), 그리고 유속 (1-5 ml/min)과 같은 주요 운전 변수들이 PFBS 제거 효율에 미치는 영향을 체계적으로 조사했다. 또한 경쟁이온 효과를 확인하기 위해 염화 이온의 존재 시의 PFBS 제거 성능도 역시 조사되었다.
결과 및 토의:ACDI 시스템은 최대 탈염 속도 0.032 mg/g/s 로, CDI에서의 0.012 mg/g/s, MCDI에서의 0.01 mg/g/s 보다 훨씬 뛰어난 성능을 보였다. 전압을 0.5 V에서 1.2 V로 증가시킴에 따라 탈염 속도가 향상되었으며, 1.2 V에서 가장 높은 속도를 보였다. 더 높은 PFBS 초기 농도 또한 탈염 속도를 향상시켰으며, 50 mg/L에서 500 mg/L로 증가시켰을 때, 0.0009 mg/g/s 에서 0.032 mg/g/s로 증가했다. 최적의 유속은 이온 접촉 시간과 처리량을 균형 있게 유지하여 2 ml/min에서 가장 높은 탈염 속도를 나타냈다. 경쟁 이온인 염화물이 첨가되었을 때는 탈염 속도가 감소하여 PFBS 제거 효율이 낮아지는 경향을 보였다.
결론:전반적으로 ACDI 시스템은 PFBS 제거에 대해 뛰어난 탈염 성능을 보여주었으며, 단쇄 PFAS로 오염된 물을 처리하는 지속 가능하고 효율적인 기술로서의 잠재성이 강조되었다. 향후 연구에서는 실제 폐수에서 경쟁 이온이 제기하는 문제를 해결하여 ACDI 시스템의 성능을 최적화하는 것이 필요하다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Objectives:This study aims to introduce and evaluate the effectiveness of asymmetric membrane capacitive deionization (ACDI) in removing short-chain perfluoroalkyl substances (PFAS), specifically perfluorobutane sulfonic acid (PFBS), from aqueous solutions. This study offers important insights for the advancement of CDI technology in the sustainable treatment of industrial wastewater containing PFAS.
Methods:ACDI was employed by removing the anion exchange membrane from conventional membrane capacitive deionization system. The effect of key operational parameters such as voltage (0.5~1.2V), initial concentration (50~500mg/L), and flow rate (1~5ml/min) on PFBS removal efficiency was systematically investigated. Additionally, PFBS removal performance in the presence of chloride ions was also investigated to determine competing ion effects.
Results and Discussion:The ACDI system significantly outperformed both CDI and MCDI, achieving a maximum deionization rate of 0.032mg/g/s, compared to 0.012mg/g/s for CDI and 0.01 mg/g/s for MCDI. Increasing the applied voltage from 0.5V to 1.2V enhanced the deionization rate, with the highest rate observed at 1.2 V. Higher initial PFBS concentrations also improved the deionization rate, increasing from 0.0009 mg/g/s at 50 mg/L to 0.032 mg/g/s at 500 mg/L. The optimal flow rate was found to be 2 ml/min, balancing ion contact time and throughput, resulting in the highest deionization rate. The presence of competing ions, such as chloride, reduced PFBS removal efficiency, as shown by the decrease in deionization rate when NaCl was added to the feed solution.
Conclusion:Overall, the ACDI system demonstrated superior deionization capacity and energy efficiency for PFBS removal, highlighting its potential as a sustainable and efficient technology for treating water contaminated with short-chain PFAS. Future research should address the challenges posed by competing ions in real-world wastewater to further optimize the ACDI system’s performance.