Membrane Filtration Plant

ED(EDR)

1. ED (EDR) 이란?

ED(전기투석)법 이란 전기투석조 (Electrodialysis Stack) 양단에서 공급되는 직류전원에 의해 형성되는 전기장을 구동력으로 하고 물속에 녹아 있는 화학성분 중 전기적 성질을 갖는 전해질(양(+)이온 또는 음(-)이온)을 선택적으로 투과하는 이온교환막을 이용하여 이온성 물질을 분리하는 막분리 공정이다.
또한, EDR은 막의 오염을 줄이기 위해 전류의 방향을 주기적으로 바꾸는 양극전도(Polarity Reversal)을 이용한 공정으로 유로와 전기투석의 전위구배를 바꿈으로써 전기투석공정에 있어서 장애요인으로 작용했던 오염속도를 감소시킬 수 있었다.
- ED(Electrodialysis) Process (전기투석법)
- EDR(Electrodialysis Reversal) Process (역전전기투석법)

(ED Process)

2. 전기투석법의 원리

1) ED공정의 이온교환막은 전해질 용액에서 막 내부의 고정이온(fixed ions)의 작용에 의해 대응이온(counter-ions)의 선택투과성을 나타낸다. 탈염전기투석 공정은 염(MX)이 희석조로 유입되면 전위구배 아래에서 양이온(M+)은 양이온교환막을 통과해 음극쪽으로 이동하며, 음이온(X-)은 음이온교환막을 통과해 양극쪽으로 이동해 희석조 양 옆의 농축조로 이동하게 돼 탈염공정을 수행하게 되는 것이다. 양이온교환막과 음이온교환막 사이에는 유로를 형성시키기 위해 스페이서가 있는 개스킷을 배열하게 되고 액실(compartment)을 구성한다.
2) EDR은 막의 오염을 줄이기 위해 전류의 방향을 주기적으로 바꾸는 양극전도(polarity reversal)을 이용한 공정으로 개발은 전기투석 발전에 중요한 계기가 됐다. EDR (Electrodialysis Reversal) 공정을 도입한 Ionics Inc.에 의해서 이뤄졌으며, 이는 유로와 전기투석의 전위구배를 바꿈으로써 전기투석공정에 있어서 장애요인으로 작용했던 오염속도를 감소시킬 수 있었다.

(ED Process and EDR Process)

(전기분해 Process와 EDR Process 비교)

① 왼쪽 전기분해(Electrolysis) 공정, ② 오른쪽 전기투석법(Electrodialysis) 공정

※ CEM = Cation-Exchange Membrane, AEM = Anion-Exchange Membrane

ED/EDR Process

3. 전기투석법의 역사

1) 1903년 : 분리공정으로 전기투석이 처음으로 이용, Morse와 Pierce에 의하여 전기장 하에서 전극과 투석막에 의해 용액 분리
2) 1911년 : Donnan이 수학적 모델로 제안한 Donnan exclusion potential을 설명
3) 1924년 : Pauli는 콜로이드 물질을 분리하기 위하여 세 부분으로 분리된 전기투석 공정 설계, 기초적인 단계의 이온교환막에 대한 연구는 균일한 구조를 가진 약산성의 콜로이드막에 대한 연구 수행
4) 1930년 : 이온교환막과 전기투석에 대한 연구가 본격적인 괘도 진입,초기에는 무기재료(Clay)로 제조한 이온선택성 막을 이용한 전기투석의 실험 실적연구가 있었으나 무기이온막의 높은 전기저항으로 실용화되지 못함,
- Myer와 Stras에 의하여 기존의 기초적인 전기투석공정을 발달시켜 양이온교환막이나 음이온교환막을 차례로 배열하여 희석실과 농축실로 구성한 현대적인 의미의 전기투석 공정의 가능성을 제시
5) 1940년 : 이온교환막과 전기투석이 공업적으로 활용되기 시작,Rohm and Haas Co.에서 이온교환수지를 이용하여 전기저항이 낮은 고분자이온교환막 개발 계기
6) 1950년 : 해수의 담수화를 위한 전기투석공정이 본격적으로 가동되었으며 이온교환막과 전기투석의 기술발전과 함께 그 용도도 다양화 됨
7) 1980년대 이후 : 다양한 이온교환막의 개발 이뤄짐, 일본의 Asahi Chemical, Asahi Glass, Tokuyama Co. 그리고 미국의 Ionics, Dupont 등에서 50 여종의 이온교환막이 제조되면서 공정이 경제성을 갖게 됨

4. 국내외 기술동향

1) 세계적으로 전기투석과 관련된 기술개발은 주로 이온교환막의 제조기술과 공정운전기술을 중심으로 진행되어오고 있다. 일반적으로 전기투석공정의 상업적 이용에는 높은 에너지 비용과 막비용이라는 경제적인 제한 요소가 있었다.
2) 그러나 1980년대 이후 다양한 이온교환막의 개발이 이루어져 일본의 Asahi Chemical, Asahi Glass, Tokuyama Co. 그리고 미국의 Ionics, Dupont 등에서 50 여종의 이온교환막이 제조되면서 공정이 경제성을 갖게 되었다.
3) 광주과학기술원 :전기투석을 이용하는 제조공정 또는 환경설비는 극히 제한되어 있으며 공정과 설비 대부분은 수입에 의존하고 있다. 국내에서 이온교환막을 이용한 분리기술에 대한 연구 중의 하나인 국가선도기술개발사업의 일환으로 수행된 ‘청정기술에 의한 발효아미노산의 분리와 폐액의 활용’에 관한 연구는 전기투석공정에 대한 효용성을 입증 [광주과학기술원, 1999].
- 이 연구에서는 발효액 중에서 아미노산을 분리하는 기술로 전기투석을 사용하여 기존의 이온교환수지법의 단점을 개선하고 해양투기에 의존하던 발효폐액을 가축의 사료와 비료로 재이용 하는 것을 목적으로 수행되어 전기투석공정의 운전기술과 활용방법 등에서 많은 성과가 있는 것으로 나타났다.
- 특히 전기적 펄스를 이용한 막오염 제어기술은 독창적인 기술로 인정되어 다른 막분리 공정에도 활용 가능한 것으로 평가된다.
4) 한국과학기술원 : 유기산을 전기투석으로 분리정제하는 연구를 통해 실험실 규모에서 공정의 안정성을 입증한 바 있다 [Lee, 1998; Lee et al.,1998].
- 중공섬유 멤브레인과 물분해를 이용하여 이산화탄소를 분리하는 전기투석공정에 관한 연구도 진행되었다.[강문성, 2002]
- 아연 전기도금 폐수처리[최근호, 2002]와 침출수 고도처리수중의 이온성분제거[현길수, 2002]를 위한 전기투석공정의 운영특성분석이 수행되었다.
- NOM 특성 분석 시 높은 이온강도에 의한 영향을 없애기 위한 전처리 공정으로서의 전기투석 적용평가가 이루어졌다.[권복순, 2003]

5. 전기투석법의 응용 분야

1) 이온성 물질 분리정제 공정에 다양하게 활용
- 환경분야에서는 물의 연수화공정, 질산성 질소 제거 공정, 도금폐수 중에서 유가 금속의 회수 공정, 중금속 제거 공정, 원자력 발전소의 일차냉각계통에서 발생하는 방사성 물질 제거 공정, 정유폐액의탈염 공정, 정수처리 공정, 중수도 공정 및 고도정수처리 공정 등에 적용된다.
- 식품산업에서는 아미노산이나 유기산의 분리정제 공정, 유가공품 제조업의 탈염공정, 식염제조 공정, 유장(Cheese whey)의 탈염, 당(Sugar) 정제과정에서의 탈색공정 등 최종 제품을 얻기 위한 정제과정으로 폭넓게 활용되고 있다.
- 전자산업이나 자동차 산업에서의 초순수 제조공정, 철강산업에서 금속이나 산회수하는 공정, 의약산업의 최종제품 분리정제 공정 등에서도 전기투석과 전기투석을 응용한 전기탈염 공정은 점차 안정된 기술로 인정받으면서 실제 적용이 늘어나고 있는 추세이다.
2) 주요 응용 분야
- ① 전기투석의 탈염을 이용한 식수제조 : 해수의 담수화
- ② 식염의 제조 : 염화나트륨을 200 g/L까지 농축 가능
- ③ 환경친화적인 처리 공정 : 도금폐수 등의 처리
- ④ 공업용수의 재활용 : 염의 제거
- ⑤ 발효공정의 회수, 식품공업, 제약에서의 전기투석 공정의 응용 등
  (참조 : 광주과학기술, 이온교환막 공정기술 소개)

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