Capacitive dionization (CDI) is desalination technology based on electric double layer (EDL), emerged by as low-energy consuming desalination technology. To improve the deionization performance of CDI process, it is necessary to develop CDI electrode with proper structure and electrode material.
In this study, hollow-fiber structured elect-rode by multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) or composite of $NaTi_2 (PO_4 )_3 -MWCNT$ (NTP) nanoparticles and MWCNTs were fabricated by wet-spinning technology. NTP is kind of NASICON (Na Super Ionic CONductor), the material that can absorb Na+ from water by electrochemical reaction. As result, hollow-fiber structured MWCNTs (CHF) and NTP-MWCNTs composite (NTP-CHF) is fabricated. The physicochemical properties of hollow-fiber electrodes were evaluated by XRD, SEM, BET analysis and electrochemical analysis to check the electrochemical characteristics of hollow-fiber electrode. Moreover, to check the performance of synthesized hollow-fiber membrane as CDI electrode, $Na^+$ sorption capacity of CHF and NTP-CHF in NaCl solution were identified. In addition, for evaluation of $Na^+$ selectivity of NTP-CHF, mix of NaCl and $CaCl_2$ solution used as target solution and the sorption capacity each ion.
As result, in 500 mg/L of NaCl solution, NTP-CHF shows 32.7 mg $Na^+$/g anode of ion sorption capacity, where CHF shows 27.9 mg $Na^+$/g anode of ion sorption capacity. This result based on the electrochemical absorption of $Na^+$ in target solution by NTP nanoparticles in NTP-CHF. In addition, under mixed solution of $Na^+$ and $Ca^{2+}$, NTP-CHF have higher cation sorption capacity with improved Na+ ion selectivity. Overall, it is clear that NTP-CHF is suitable anode for CDI system.
This study can be a basis for the development of electrochemical reaction-based selective ion removal technology.
축전식 탈염 공정은 염수 내 존재하는 양이온 및 음이온을 전위가 인가된 전극 표면의 전기 이중층 (Electric double layer, EDL)을 통해 흡착, 제거하는 기술로, 저에너지 소모형 탈염기술로 각광받고 있다. 이러한 축전식 탈염 공정의 성능을 개선시키기 위해서는 적합한 구조 및 전극 물질을 사용한 전극의 개발이 필수적이다.
본 연구에서는, 이전까지 사용해 오던 평면 형태의 전극으로부터 탈피하여, 탄소 나노튜브로 구성된 중공사막 형태의 입체 전극을 제조하고, 여기에 Na+ 이온을 전기화학적 반응을 통해 흡수하는 NASICON (Na Super Ionic CONductor) 계열의 물질인 $NaTi_2 (PO_4 )_3 -MWCNT$ (NTP) 를 탄소 나노튜브와의 복합체 형태로 도입하여 기존의 평면 형태 전극보다 높은 양이온 흡수 용량을 갖는 전극을 개발하였다. 중공사막 전극의 방사에는 습식방사 기술을 이용하였으며, 각 중공사막 전극의 물리·화학적 특성을 XRD, SEM, BET 분석을 통해 확인하였고, 전극으로써의 특성 평가를 위해 전기화학적 분석을 진행하였다. 마지막으로, 회분식 반응기를 이용하여 축전식 탈염을 진행하고, NaCl 수용액 내에서 NTP-CHF 와 CHF 의 양이온 흡착 특성을 평가하였다. 또한, $Na^+$ 및 $Ca^{2+}$ 이온이 혼재되어 있는 수용액에 NTP-CHF 전극을 적용하여, $Na^+$ 이외의 양이온이 존재할 때 NTP-CHF 의 거동을 확인하였다.
연구 결과, 500 mg/L NaCl 수용액에 대해 CHF 는 27.9 mg $Na^+$/g anode 의 이온 흡착 용량을 나타내었으며, NTP-CHF 는 동일한 조건에서 32.7 mg $Na^+$/g anode 의 이온 흡착 용량을 나타냈다. 이는 NTP-CHF 내의 NTP 입자가 $Na^+$ 이온을 전기화학적 반응을 통해 흡수하였기 때문으로 풀이된다. 또한, $Na^+$ 및 $Ca^{2+}$ 이온이 존재하는 조건에서 NTP-CHF 내의 NTP 입자는 $Na^+$ 이온과 선택적으로 반응하여 흡수하는 것이 확인되었으며, 이를 통해 CHF 에 비해 높은 $Na^+$ 이온 선택성 및 총 이온 흡착 용량을 보여, 축전식 탈염 공정의 음극으로써 적합함이 확인되었다.
본 연구는$NaTi_2 (PO_4 )_3 -MWCNT$를 축전식 탈염 공정의 음극 재료로써 사용한 첫 사례이며, 보다 고성능의 축전식 탈염 전극의 개발 및 전기화학적 반응을 통한 선택적 이온 흡착 기술의 토대를 마련했다는 데 그 의의를 두고 있다.
