After the Industrial Revolution, rapid economic development secured the convenience of life and the abundance of materials, but faced a variety of energy and environmental problems due to indiscreet development and lack of awareness of the environment. Among them, water shortage caused by global warming and urbanization, air pollution, and global warming caused by fossil fuel use are pointed out as inevitable problems for sustainable development and survival of mankind. In order to solve the above problems, it is important to produce fresh water from brine, which is present in large quantities on the surface of the earth (~75%), through a low-energy desalination process, and to develop systems and materials for utilization of renewable energy with efficient energy storage. Therefore, it is necessary to develop novel materials and systems for effective desalination and energy storage through brine.
Herein, in order to solve those problems, this thesis reports that 1) Development of a hybrid desalination system called Flow capacitive deionization (FCDI) - Nanofiltration (NF) with introducing of polyurethane (PU) sponge for high electrolytes uptake to improve the FCDI performance to solve the problem of high energy consumption and low water recovery of the conventional desalination process (reverse osmosis), 2) Development of asymmetric CDI system with Prussian blue analogue (PBA) to solve the reverse adsorption phenomenon of the porous carbon materials, which was the biggest problem of performance degradation of CDI, and utilizing the fast kinetics of the PBA through hydration intercalation and single-phase reaction to maximize the desalination performance, and 3) Development a binder that has a hydrophilic group and a hydrogen bond to enhance the wettability and lower the interfacial resistance of the electrode and improve the performance of the aqueous rechargeable battery and the desalination system.
산업 혁명 이후 급속한 경제 발전으로 인해 삶의 편리함과 물질의 풍부함이 확보되었지만, 무분별한 개발과 환경에 대한 인식 부족으로 인해 다양한 에너지 및 환경 문제에 직면했다. 그 중 지구 온난화와 도시화로 인한 물 부족, 화석 연료 사용으로 인한 대기 오염 및 지구온난화는 인류의 지속 가능한 발전과 생존을 위해 피할 수 없는 문제로 지적되고 있다. 상기 문제를 해결하기 위해 지구 표면에 대량 존재하고 있는 염수를 저에너지 담수화 공정을 통해 사용 가능한 물로 생산하고, 신재생에너지의 활용과 효율적 에너지 저장을 위한 시스템 및 소재 개발이 중요하다. 따라서, 염수를 통한 효율적 담수화와 에너지 저장을 위한 이상적 소재 및 시스템 개발이 필요한 실정이다.
이러한 문제점들을 해결하기 위해서, 본 학위논문에서는 1) 기존 담수화 공정 (역삼투 방식)의 문제점이었던 높은 에너지 소비와 낮은 물 회수율을 해결하고자, 하이브리드 담수화 시스템인 Flow capacitive deionization (FCDI)- Nanofiltration (NF) 개발 및 FCDI의 성능 향상을 위한 높은 전해질 흡수율을 가지는 PU sponge 도입. 2) 기존 축전식 탈염 시스템 (capacitive deionization, CDI)의 성능 열화의 가장 큰 문제점이 였던 탄소 재료의 역흡착 현상을 해결하기 위해, Prussian blue analogue를 도입한 비대칭 CDI 시스템 개발, 수화 삽입과 단일화반응을 통한 소재의 빠른 동역학을 활용, 담수화 용량 및 성능 극대화, 3) 친수성기를 가지며 수소결합을 하는 바인더를 개발 및 적용하여, 전극의 젖음성과 계면 저항을 낮춰, 수계 이차전지 및 담수화 시스템의 성능을 향상시키는 방법들에 대해 다루고자 한다.
